豎直縱向翅片管自然對流換熱特性研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、翅片管作為一種高效的強化傳熱元件，廣泛地應用于石油、化工、能源、冶金、核電等領域。由于其結(jié)構(gòu)形式多樣，應用場合多變，目前對于自然對流條件下縱向外翅片管的換熱研究報道較少。對縱向外翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱性能的影響規(guī)律及縱向外翅片管的換熱關(guān)聯(lián)式的研究更是尚未發(fā)現(xiàn)。正是基于這種現(xiàn)狀，本文對豎直縱向外翅片管進行較為詳盡的研究。 建立豎直縱向翅片管的數(shù)值計算模型。通過分析豎通道內(nèi)層流向湍流的轉(zhuǎn)變，確定了本文研究的翅片管的流動主要或大部分屬

2、于層流。針對計算范圍內(nèi)豎直縱向翅片管的溫差一般小于40℃的特點，對空氣物性參數(shù)的設定采用Boussinesq假設；因離散坐標輻射模型(DO模型)具有適合于局部存在熱源、對稱性邊界和光學厚度適應性強的特點，經(jīng)對比選用離散坐標輻射模型；對于計算模型中液固耦合傳熱問題，利用shadow面保證耦合界面上熱邊界條件的一致性；針對計算區(qū)域內(nèi)參數(shù)變化梯度較大，網(wǎng)格數(shù)目多的情況，選用了混合網(wǎng)格的劃分方法和網(wǎng)格自適應技術(shù)在不過分增加計算成本的前提下提高了

3、計算精度，并獲得網(wǎng)格獨立解。該求解方法對求解自然對流條件下多種換熱方式并存的情況具有一定的借鑒意義。 對豎直縱向翅片管的端面形式、基管高度、翅片長度、翅片夾角以及基管壁溫與周圍環(huán)境溫差的各種組合進行數(shù)值研究。 端面形式的研究顯示：開放式翅片管的單位質(zhì)量散熱量、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在3種翅片管中均為最大，但其散熱量最?。换⌒味嗣娣忾]式翅片管散熱量最大，單位質(zhì)量散熱量、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)和表面

4、傳熱系數(shù)也較平端面封閉式翅片管高。平端面封閉式翅片管的除散熱量高于開放式翅片管，其余參數(shù)均最低。 對3種端面形式翅片管的溫度場和速度場及通道內(nèi)截面平均溫度、平均速度進行了對比，開放式翅片管“通道”內(nèi)速度提升比較均勻，在通道出口速度最高。封閉式翅片管空氣速度提升主要集中在通道的入口段，通道中速度變化較小，到達出口時速度略微下降；3種翅片管進出口溫差差別較大，平端面封閉式翅片管和弧形端面封閉式翅片管的溫差比開放式翅片管分別多出98.

5、4％和79.6％。 對翅片長度和翅片夾角研究表明：(1)在翅片長度固定、翅片夾角變化時，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、平均傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、金屬熱強度的最大值大多出現(xiàn)在夾角600處。(2)翅片管的單位質(zhì)量散熱量、平均傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、金屬熱強度隨翅片長度的增加而增大。(3)對流占據(jù)的比重隨翅片長度的增加而增大。對流占據(jù)比重隨翅片夾角的變化出現(xiàn)極大值的位置因翅片長度不同而不同?；芨叨鹊难芯匡@示：(1)翅片管單位質(zhì)量散熱量、

6、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、金屬熱強度、對流占據(jù)比重均隨基管高度的增加而減??；(2)除基管高度100mm單位面積散熱量隨翅片長度增大而變小外，在其他基管高度下單位面積散熱量最大值均出現(xiàn)在翅片長度為30mm時。 在基管壁溫與環(huán)境溫差增加時，翅片管的單位質(zhì)量散熱量、單位面積散熱量、平均傳熱系數(shù)、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、金屬熱強度都隨之增大；但對流占據(jù)比重隨溫差的增加出現(xiàn)極大值。 依據(jù)平端面封閉式翅片管65種不同結(jié)構(gòu)的數(shù)

7、值計算結(jié)果，提出了經(jīng)過修正的無量綱因子d<,D>/H，擬合的準則關(guān)系式為：Nu=0.302(Gr Pr)<'0.312>(d<,D>/H)<'0.160>其中：2.29×10≤Gr Pr≤1.38×10<'9>；3.8mm≤d<,D>≤49.2mm； 100mm≤H≤800mm。準則式與計算結(jié)果偏差平均為3.53％。較修正前的準則關(guān)系式的精度在最大偏差和平均偏差上都有所提高。 在搭建的翅片管熱工實驗平臺上，對平端面封閉式翅片管的

8、基管高度、翅片長度、翅片夾角及其交互作用對不同換熱指標的影響次序及影響程度進行實驗研究。并在此基礎上對試驗管段進行數(shù)值模擬，數(shù)值計算的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，數(shù)值模擬結(jié)果平均偏低3.3％，最大偏差-15.9％。數(shù)值計算方法正確，精度較高。 分別以管壁平均溫度60℃的散熱量和單位質(zhì)量散熱量為試驗指標進行的極差分析和方差分析表明，在研究范圍內(nèi)，基管高度、翅片長度、翅片夾角對平端面封閉翅片管散熱量影響依次減小?；?00mm翅長50m

9、m夾角為90°時散熱量最大。對單位質(zhì)量散熱量影響最大的是翅片夾角，然后依次是基管高度、翅片長度?；?00mm翅長50mm夾角為60°時單位質(zhì)量散熱量最大。 對翅片管管束及單柱管進行數(shù)值模擬及實驗研究。結(jié)果表明，數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，計算值比實驗結(jié)果平均偏低6.4％。管束散熱量隨翅間距的增加而增大，但增幅逐漸變小。側(cè)邊單柱管散熱量隨翅間距的變化趨勢與管束變化趨勢基本相同；但中間單柱管隨翅間距的變化趨勢與兩側(cè)單柱管的變