摘　要：介紹均勻傾角波紋翅片管、傾角漸增波紋翅片管的結構。采用FLUENT軟件，對兩種波紋翅片管空氣流道中心面上的溫度場、壓力場、換熱量、阻力進行了數(shù)值模擬。

關鍵詞：波紋翅片管換熱器  均勻傾角波紋翅片  傾角漸增波紋翅片

Numerical Simulation of Flow Field and Heat Exchange Amount on Air Side of CORRUGATED Fin Tube Heat Exchanger

Abstract：The structures of uniform inclination corrugated fin and increasing inclination corrugated fin are introduced．The numerical simulation of temperature field，pressure field，heat exchange amount and resistance in the center of air passage for two kinds of corrugated fin tubes is performed by FLUENT software．

Key words：corrugated fin tube heat exchanger；uniform inclination corrugated fin；increasing inclination corrugated fin

1　概述

波紋翅片管換熱器具有結構簡單、加工容易、適應性強等優(yōu)點，廣泛應用于動力、化工、石油、航空航天、空調(diào)及制冷工程等領域。因此對波紋翅片管換熱器的結構進行優(yōu)化設計有著十分重要的意義^[1]。

目前，國內(nèi)外學者對提高波紋翅片管換熱器換熱性能的方法進行了數(shù)值模擬研究。謝春暉等人^[2]的研究表明，正弦波紋翅片的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比平板翅片增大26％左右，傳熱量增大47％左右。司子輝等人^[3]分別研究了波紋三對稱穿孔翅片管、常規(guī)波紋翅片管的表面流動性與換熱特性，研究表明前者的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比后者高20％～28％。E．M．Sparrow等人^[4]的研究表明，波紋翅片高度等幾何尺寸在一定程度上決定了波紋翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本文對均勻傾角波紋翅片管、傾角漸增波紋翅片管空氣側流場與換熱量進行數(shù)值模擬。

2　波紋翅片管結構及物理模型

波紋翅片管換熱器整體結構見圖l，圖中尺寸的單位為mm，換熱管長度為200mm。均勻傾角、傾角漸增波紋翅片管的結構分別見圖2、3。

兩種波紋翅片管的換熱管均采用叉排方式，換熱管為豎直擺放。對于均勻傾角波紋翅片管，翅片傾角q保持不變，為21.8°。對于傾角漸增波紋翅片管，翅片傾角由l6.7°增至35.0°，各翅片傾角為q1=16.7°，q2=21.8°，q3=26.57°，q4=30.96°，q5=35.0°。。兩種波紋翅片管的通用結構參數(shù)見表l。換熱管的排列具有規(guī)律性，因此選取一個具有代表性的波紋翅片管單元(見圖l中紅色虛線框)與波紋翅片管單元上下空氣通道為物理模型，空氣從左側掠過物理模型，波紋翅片管單元長×寬為40mm×26mm。

3　數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬基于以下設定^[2，5]：輻射換熱忽略不計；翅片厚度與截面積不變，翅片厚度相對于波紋高度較小，可將翅片厚度方向溫度視為相等；忽略翅片與換熱管外壁面的接觸熱阻，認為翅片根部溫度與換熱管外壁面溫度相同。

入口壓力初始條件為常壓。波紋翅片管物理模型的流動與換熱控制方程采用連續(xù)性方程、動量方程、能量方程^[6]。應用Gambit軟件，將物理模型網(wǎng)格化，建立熱邊界、混合邊界。將網(wǎng)格化物理模型轉換成MSH文件后，導入FLUENT軟件，采用3D標準k-e占湍流計算模型，動量方程、能量方程采用二階迎風差分格式，壓力一速度耦合采用SIMPLE方法，得到兩種波紋翅片管空氣流道中心面上的溫度場、壓力場。

空氣進口速度變化范圍為1～5m／s，出口壓力初始條件為常壓。進口空氣溫度為310 K，換熱管壁溫度恒定為330 K。波紋翅片管兩側空氣流道為對稱邊界條件。

4　計算結果及分析

①溫度場

空氣進口速度為4m／s時，兩種波紋翅片管空氣通道中心面的溫度場分別見圖4、5。由圖4、5可知，兩種波紋翅片管的溫度分布都很紊亂且成狹長帶狀。在迎風側，傾角漸增波紋翅片管空氣通道中心面空氣溫度上升得較快，且出口溫度高于均勻傾角波紋翅片管。這是由于傾角漸增波紋翅片結構加強了氣流擾動，從而強化了換熱。兩種波紋翅片管的共同點是：在迎風側，溫度場分布稠密，溫度上升較快，換熱較強烈；在背風側，溫度場分布稀疏，溫度變化較小，換熱較平緩。

②壓力場

空氣進口速度為4m／s時，兩種波紋翅片管空氣通道中心面的壓力(表壓)場分別見圖6、7，圖中數(shù)值單位為Pa。由圖6、7可知，兩種波紋翅片管的壓力分布均比較紊亂。傾角漸增波紋翅片管空氣通道中心面的壓力降要大于均勻傾角波紋翅片管，且隨著翅片傾角的增大，等壓線分布更加稠密。原因是傾角漸增波紋翅片結構對流體的阻滯和擾動作用都較大，阻力比均勻傾角波紋翅片管大。

③換熱量及阻力

兩種波紋翅片管的換熱量隨空氣進口速度的變化見圖8。由圖8可知，兩種波紋翅片管的換熱量隨空氣進口速度的增大而增加，換熱量與空氣進口速度近似為線性關系。在相同工況下，傾角漸增波紋翅片管的換熱效果優(yōu)于均勻傾角波紋翅片管。

兩種波紋翅片管的阻力隨空氣進口速度的變化見圖9。由圖9可知，兩種波紋翅片管的阻力隨空氣進口速度的增大而增大，阻力與空氣進口速度近似為指數(shù)關系。在相同工況下，傾角漸增波紋翅片的阻力大于均勻傾角波紋翅片管。

5　結論

①在相同工況下，傾角漸增波紋翅片管的換熱效果優(yōu)于均勻傾角波紋翅片管，但前者的阻力大于后者。

②增大空氣進口速度可以提高波紋翅片管的換熱量，但阻力也隨之增大，應根據(jù)允許的空氣壓力降選擇合適的空氣進口速度。

③當波紋翅片管換熱器的體積受到限制，而又要求有較高的換熱量時，傾角漸增波紋翅片管換熱器具有很大的優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]李祺，孫鐵，張素香，等．熱管傾斜波紋翅片強化傳熱三維數(shù)值模擬與分析[J]．當代化工，2011，40(8)：862-865．

[2]謝春暉，簡棄非．冷凝器翅片表面流體流動及換熱過程的三維數(shù)值模擬[J]．制冷與空調(diào)，2005(5)：l7-20．

[3]司子輝，張燕，康一亭，等．翅片管式換熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]．化工進展，2010(增刊2)：82-86．

[4]SPARROW E M，LARSON E D．Heat transfer from pinfins situated in an oncoming longitudinal flow which turns to cross flow[J]．Heat Mass Transf．，l982(25)：603-614．

[5]周俊杰，徐國權，張華俊．FLUENT工程技術與實例分析[M]．北京：中國水利水電出版社，2010：222-244．

[6]陶文銓．傳熱與流動問題的多尺度數(shù)值模擬：方法與應用[M]．北京：科學出版社，2009：465-563．

本文作者：王洪林  劉鳳國  秦  萌

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院

  天津城市建設學院能源與安全工程學院