翅片管换热器内部空气流场的数值模拟与实验研究

作者:鹿世化;刘卫华;余跃进;黄虎 刊名:化工学报 上传者:卢明涛

【摘要】空气侧换热是制约翅片管换热器发展的一个主要因素,而风机-换热器单元的内部空气流场分布对空气侧的换热影响显著。本文用数值模拟和实验两种手段对一种"U"型翅片管内部空间的空气流场进行了研究。通过商用软件对该空间进行了三维数值模拟,研究结果给出了整场流速的详细分布。用干冰作为材料,对该空间进行了可视化发烟实验。在不同高度的速度分布上,数值模拟与实验结果吻合较好。结果显示正对风机的速度最大,换热最好。本研究为翅片管的优化提供了数据,为本领域的研究者提供了一个新的思路。

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引言空气侧的强化换热一直是翅片管换热器研究的重要领域。在这一领域,研究内容大致可以分为以下几个方向:对翅片本身的研究,包括翅片的几何尺寸(长、宽、高、厚度以及翅片间距等)和翅片形状(平片、波纹、开窗)等[1-6];对管路和管排的研究,研究包括管间距、管排形式(顺排、叉排)等[7-9];在翅片上增加外物(导流片、纵向涡发生器、电极等)来改善翅片换热[10-13]。从研究手段上来看主要有数值模拟和实验研究两种手段。随着计算机水平的发展,数值模拟在本领域正发挥越来越大的作用。作者在从事翅片管换热器研究的过程中发现,同样的翅片结构、同样的管排形式、同样的迎风面积的翅片管换热器用于制冷机组时,带来的机组性能存在着一定的差异。现有的翅片管换热器的设计人员在设计时往往从管程、外形尺寸上考虑,翅片管内部的空气流场(图1为几种典型排列的翅片管内部流场示意图)对于换热的影响这一因素目前没有引起本领域研究者足够的重视。本文运用数值模拟和可视化实验研究两种手段对一种“U”型排列的翅片管内部流场进行研究,探寻内部空气流速分布对翅片管换热特性的影响,以期为翅片管的设计和应用积累经验。1CFD计算方法1.1数学模型内部流场内的空气流动假定为等温、不可压缩的流动,可以用不可压缩流体的连续方程和N-S方程来描述。连续方程(ui)xi=0(1)N-S方程gujuuij=-xpi+xjuxij+uxij+xijj(2)式中i,j,k=1,2,3;为气体黏滞系数;u为气体速度;g为气体密度;p为压力;ij为雷诺应力项。采用RSM描述气流湍动,并用SIMLE算法。本文采用商用软件FLUENT进行计算。1.2计算区域本研究对计算区域进行三维建模。如图2所示。由于该模型具有x方向的对称性,计算区域取左侧区域进行。考虑到计算机的硬件水平,计算区域中对翅片管的数目进行了精简。图中-40cmx0,-20cmy18cm,0z80cm。图2简化后的计算区域Fig.2Simplifiedcomputationalzone1.3边界条件风机属于轴流风机,为简化起见,对半圆行风机出口处设置为速度进口条件,速度值由风机风量与风机所在圆面面积计算得到。速度方向沿y轴负方向。出口为自由流出口。内部流场顶部、底部与前侧除风机外的面设置为墙壁,右侧面设置为对称面。1.4网格划分网格划分如图3所示,绝大多数规则化区域采用结构化网格,风机等处采用非结构化网格,对网格进行了独立性检验后,最终的采用的网格计算体数量为303297,节点数为281119。2实验2.1实验装置实验在全尺寸翅片管换热器上进行,换热器与发烟实验装置示意图如图4所示。由图可见,对于“U”型翅片管换热器而言,由于翅片排列密集,风机开动时所在平面也基本处于封闭,客观上不存在两个透明且互相垂直的面,这就使得对于此类换热器的可视化研究无法采用PIV等测速仪器来完成。这从客观上限制了全尺寸翅片管换热器的可视化的定量研究。在本实验中,采用封闭的透明有机玻璃板(面ABCD)来代替钣金顶板,在顶板上方设置高性能摄像机,对翅片内部流场内的图像进行拍摄。为了图4发烟实验示意图Fig.4Diagrammaticsketchofsmoketest(cm)得到最佳图片效果,在合适位置设置光源。分别在ADHE、CDHG、BCGF3个面不同的位置进行了实验,摄像机位置根据要求设置于最合适位置。2.2发烟设备采用干冰作为发烟材料,针对不同水平面、同一个水平面不同位置、同一个竖直面不同高度的气流等进行了实验。3结果分析与讨论3.1不同高度水平方向的速度场分布图5为不同高度水平面的发烟实

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