纵向翅片热管装置换热特性的数值研究之物理论文

　　摘要：本文利用fluent软件对500mm长的纵向翅片管束的单元结构和圆形翅片管束的单元结构进行了三维数值模拟，通过力能系数的比较，提出分离式纵向翅片热管优于分离式圆形翅片热管，这为纵向翅片热管的研究和应用提供了一定的参考价值。
　　关键词：分离式热管论文，圆形翅片论文，纵向翅片，力能系数，数值模拟
　　
　　0前言
　　近些年，分离式热管得到越来越广泛的研究及应用，其中圆形翅片热管和螺旋形翅片在应用中较多[][][]，但是这种换热器的结构阻力很大，而且还易积灰，而且，对于冷热源温差较小的情况下，如果采用这种紧凑式的换热器，就会以很大的动力消耗为代价，很不节能，因此采用一种换热性能较好的热管换热器结构，对于热管换热器的广泛使用有很大的帮助。对于纵向翅片管束，当流体纵向流过管束时，对流体的阻力相对较小，但是纵向翅片热管的研究及应用很少，李向群[]仅对双翅纵向翅片管进行了实验研究，多翅纵向翅片热管的研究很少。因此，本文利用fluent对纵向翅片分离式热管的蒸发段的单元结构和分离式圆形翅片热管的蒸发段的单元结构进行了三维数值模拟，并将它们的热力性能作了对比。
　　1物理模型的建立
　　本文采用的管束结构参数如下（管长500mm）：
　　（1） 圆形翅片管束
　　基管管径：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片数目：217个;
　　翅片高度：12.5mm;
　　翅片厚度：0.5mm;
　　翅片间距：2.3mm;
　　排列方式：正三角形叉排；
　　横向间距：52.5mm;
　　纵向间距：45.47mm;
　　横向排数：43;
　　纵向排数：6；
　　材料：铝；
　　（2） 纵向翅片管
　　基管管径：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片数目：20个;
　　翅片高度：20mm;
　　翅片厚度：1.25mm;
　　排列方式：正三角形顺排；
　　横向间距：70mm;
　　纵向间距：70mm;
　　横向排数：4;
　　纵向排数：1；
　　材料：铝；
　　本文采用的单元模型如图1（垂直纸面方向长度为500mm）和图2（垂直纸面方向长度为1.15mm）。
　　
　　图1纵向翅片管束单元截面
　　
　　图2圆形翅片管束单元
　　2数学模型的建立
　　稳态、不可压缩、常物性条件下，空气流经管外翅片空间的流动传热问题的控制方程组[]为:
　　连续性方程：
　　
　　动量方程：
　　能量方程：
　　式中，u、v、w分别为x、y、z方向的速度；p为压力；t为温度；ρ、μ、cp、K分别为空气密度、动力粘度、比热和导热系数。
　　对纵向翅片管束，标准方程描述：
　　对圆形翅片管束，RNG描述：
　　式中，k、分别为紊动能、湍动能耗散率；表示由平均速度梯度产生的湍动能；表示由于浮力产生的湍动能；表示可压湍流中脉动扩张的影响；、分别为和的普朗特数；、、、、、为经验常数；、分别为标准和RNG的湍流粘度；、分别为和的源项。
　　3假设
　　对纵向翅片管束和圆形翅片管束作如下假设：
　　(1)翅片材质均匀。
　　(2)常物性。
　　(3)在翅片的全部表面上，与周围流体的换热强度相同。
　　(4)在翅片各处，周围流体的温度相同，为稳定流状态。
　　(5)忽略物体之间的相互辐射作用。
　　(6)与翅片的高度相比，其厚度很小。因此沿厚度方向的温度梯度可以忽略不计，也就是说，只讨论翅片一维导热问题。
　　(7)翅片根部的温度均匀。
　　(8)对于用焊接法或其他机械方法在管子上制成的翅片，不考虑它与母材之间的接触热阻。
　　(9)冷、热源为温差很小,换热过程处于干工况。
　　(10)基于采用的为分离式热管，因此假定热管的传热特性不随热管外部流体流动和传热特性变化而变化。
　　3.2.3离散模型和边界条件论文
　　（1）对于纵向翅片管的边界条件设置：空气入口为速度入口，温度为307K；出口为压力出口；假定基管内为饱和蒸汽，基管壁面为定壁温边界条件，温度为300K；其余边为对称边界条件。采用k-ε湍流模型。翅片处于流场中的表面温度分布由翅片导热及其与管外空气对流换热耦合求解得到。
　　（2）对于圆形翅片管束的设置：为了避免出口回流的影响,对出口延长两倍横向间距。动量方程采用RNGk-ε模型。其数值模型的边界条件设置如下:空气的入口为速度入口，温度为307K；出口为压力出口；模型四周为对称性边界;假定基管内为饱和蒸汽,基管壁面为定壁温边界条件，温度为300K；其余边为对称边界条件。翅片处于流场中的表面温度分布由翅片导热及其与管外空气对流换热耦合求解得到。
　　4计算结果及分析
　　本文主要研究热管在低风速下的换热情况，因此，计算风速选为2、3、4、5、6、7、8、9、10m/s。
　　（1） 单位质量换热量
　　图3为两单元结构的单位金属质量换热量的比较结果。由图可知，纵向翅片管和圆形翅片管的单位质量换热量都跟随入口速度的增大而增大，但是圆形翅片管束的换热能力高于纵向翅片管束，并且上升的幅度明显高于纵向翅片管束，在2-10m/s范围内，约为纵向翅片管束的3.8倍，这是因为圆形翅片管束较紧凑，换热能力高。
　　
　　图3单位质量金属质量换热量
　　（2） 力能系数
　　单位温差下，换热面耗费单位功率时所传递的热流量，也称力能系数E0：
　　E0=α/P0=(Cp•m•∆t/A•∆tm)/(∆P•u)=Cp•m•∆t/(∆P•ｕ•A•∆tm)
　　其中，α---平均对流换热系数，w/m2•K;
　　P0----换热面上流动阻力所消耗的功率，w/m2;
　　Cp----空气比热，1.01x103J/(Kg•K);
　　m----质量流量，Kg/s;
　　∆t-----空气进出口温差，∆t=tin-tout，⁰C;
　　∆tm----换热温差，∆tm=（tin-tout）/2-tguanbi，⁰C;
　　∆P----空气进出口压差，Pa;
　　u----空气进出口平均流速，m/s;
　　A----换热面积，m2;
　　力能系数E0数值越大，则意味着该换热面在耗费一定功率时的换热量较大，因此可称该换热面的热力性能较好。
　　图4为两种单元结构的力能系数的比较结果。由图可知，纵向翅片管和圆形翅片管的力能系数都跟随入口速度的增大而减小，这是因为随风速的增大，阻力增大的幅度大于平均对流换热系数的幅度；纵向翅片管的力能系数约为圆形翅片管的3-4倍。
　　
　　图4力能系数E0随入口风速的变化
　　5结论
　　本文对分离式通过对纵向翅片管束和圆形翅片管束的数值模拟结果对比，结果表明：纵向翅片管束的单位金属质量换热量低于圆形翅片管束，但是从力能系数的比较结果来看，纵向翅片管束分离式热管的单元结构的热力性能优于圆形翅片分离式热管的单元结构，这体现了纵向翅片热管优越的综合换热能力，也为纵向翅片分离式热管的研究及使用提供了一定的参考价值。