平直翅片管换热与压降特性的影响翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响结论参考文献外文原文中文翻译第章绪论课题背景及研究意义强化传热技术概述强化传热是上世纪六十年代开始蓬勃兴起的种改善传热性能的先进技术。它的任务是促进和适应高热流，以达到用最经济的设备来传输特定的热量，用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，以及用最高效率来实现能源的有效利用。正因为如此传热强化在工业生产中有着十分广泛的应用，无论在动力冶金石油化工材料制冷等工程领域，还是航空航天电子核能等高技术领域，都不可避免的涉及热量的传递及其强化问题。而换热器作为种传热设备成为工业生产中不可缺少的设备。据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资占在制冷机组中，蒸发器和凝结器的重量占机组总重量的，动力消耗占总值的在热电厂中，如果将锅炉也视作换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的左右。因此，换热设备的合理设计运转和改进对于整个企业投资金属耗量空间以及动力消耗有着重要影响。近十几年来，世界面临着能源短缺的局面，为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术已成为当前工业生产和人民生活中个重要课题。采用先进技术，节能降耗，倡导低碳生活和绿色的生存模式，提高能源有效利用率势在必行，正是出于这种目的，许多学者对强化换热技术进行了大量的研究，提高换热器的换热效率来节约能源。换热设备的合理设计运转和改进对节省资金能源和金属是十分重要的，因而强化换热对国民经济发展具有重大意义。强化传热是实现换热器高效紧凑换热的主要途径，其基本元件的开发研究直备受关注，各种行业对强化传热的具体要求各不相同，但归纳起来，强化传热技术总可以达到下列目的减少初设计的传热面积和重量提高现有换热器的换热能力使换热器在较低的温差下工作减少换热器的阻力，以减少换热器运行时的动力消耗提高换热器的换热器能力，同时使得增加的阻力不至于太大。其中，方法是种崭新的强化换热的方法，由于很多传统强化换热的方法会明显带来流动阻力的大幅增加，而很多时候阻力增加的代价是大于换热增加带来的效益的，出现这种情况就会得不偿失了。方法追求的目的是能够在换热系数和流动阻力这两者之间做个较好的权衡，起到减阻强化传热的效果。不同的强化传热技术可满足不同的要求，如减少初次传热面积以减小换热器的体积和重量，或提高换热器的换热能力，或增大换热温差，或减少换热器的动力消耗。这几个目的不可能同时满足，因为它们是相互制约的，在选择种强化技降低。同时，排的出口压力明显低于排管。管排数对换热特性的影响由上图得，在雷诺数的研究范围内，单排管的换热性能明显好于双排管。分析原因，在雷诺数较小的范围内，流体流经第排管子时，由于开始边界层较薄，图排管内速度分布图图排管内流线图图排管流道内压力分布图图排管流道内速度分布图图不同管排流道内关系图换热较强，但随边界层的发展很快下降，随后发生绕流脱体使换热再次增加，而管后的尾迹区换热很差，随着流动向下发展，漩涡流继续向下游运动到达第二排管时，再次因前缘效应而换热增强，并发生第二次绕流脱体，但由于尾迹区速度较小，导致第二排管的换热要弱于前排管束，因而总体换热性能，单排管要优于双排。管排数对压降特性的影响由上图明显看出，随着流动方向管排数的增加，空气进出口压降呈指数增大，且流速较小时，不同管排数压降相差较小，随着流速的增加，不同管排的空气侧阻力相差也变大。管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响管排间距直接影响了流体通道内温度场和速度场分布，对换热与阻力特性有重要影响，合理布置管排能更好地协调速度场与温度场的协同性，提高换热器流动与化热综合性能。本节针对不同横向间距的翅片管，来分析其对换热与阻力性能的影响。其中，横向间距分别取和，为管道外径。图不同管排流道内速度与压降关系图不同横向间距的管排内流场分布以上为翅片管横向间距管径分别为，进口速度为的温度压力速度场分布图。明显看出，随着间距增大，两排管中间区域流道变宽，速度压力变化较为平缓，分布更加均匀，利于流体流动。图横向间距时温度分布图图横向间距时温度分布图图横向间距时速度分布图图横向间距时速度分布图图横向间距压力分布图图横向间距时压力分布图横向间距对换热性能的影响由上图关系看出，管排横向间距对翅片管的换热性能有较大影响，随着横向间距的增大，换热系数减小，换热能力下降，说明间距越小换热性能越好，这主要由于当间距增加时，管子之间的流道变宽，流动更加顺畅，使尾迹区扰动减弱，换热减弱。横向间距对压降性能的影响由上图关系看出，随着管排横向间距的增大，压降略微降低，流动阻力减弱，且随着流速的增大，不同间距的压降相差增加，但差别不大，说明在流速较小数范围时横向间距对管排阻力特性影响不大。图不同横向间距关系图图不同横向间距速度与压降关系图管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响本节针对不同纵向间距的翅片管进行数值模拟，并分析其对换热与阻力特性的影响。其中纵向间距分别取为和，为管径。不同纵向间距管排内流场的分布以上为翅片管纵向间距管径分别为，进口速度为的温度压力速度场分布图。可以直观看出随翅片管纵向间距增大，流场分布更加均匀，流道内速度压力变化平缓，流动特性较好。图纵向间距速度分布图图纵向间距速度分布图图纵向间距压力分布图图纵向间距压力分布图图纵向间距温度分布图图纵向间距温度分布图纵向间距对换热性能的影响由图看出，在流速较小时约为，随着管排纵向间距的增大，换热性能变强，随着流速的增加，管排纵向间距越大，换热性能变差。但整体来看，换热系数下降幅度很小，纵向间距对翅片管换热性能影响不大。纵向间距对阻力性能的影响由图可明显看出趋势，纵向间距越大，压降越小，流动阻力越小，且当流速较小时，纵向间距对阻力特性影响较小，随着流速增加，不同纵向间距翅片管压降差别图不同纵向间距关系图图不同纵向间距速度与压降关系图也愈明显。这主要是由于增大管排纵向间距后，流道宽度增加，减小了管列之间的脉动影响，从而利于流动的自由发展，也就大大减少了流动阻力。管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响本小节针对双排翅片管不同管排方式，即顺排和叉排，进行数值计算，模拟其流场的温度压力分布，并计算分析其在换热与阻力性能的差异。其中，模型选取为纵向间距为，横线间距为，翅片间距为，管径取，来流速度为。顺排叉排的流场分布图叉排管束温度分布图图顺排管束温度分布图图叉排管束速度分布图图顺排管束速度分布图图叉排管束流线图图顺排管束流线图上图显示出叉排顺排管列的温度速度压力及流线分布，对比得出，顺排管束流道内的温度压力分布更加平缓，尤其是二排管之间的压力场。对比流线图看出，顺排管束前后两排管的尾流区连接在起，形成了管径宽度的尾流通道，使管后滞止涡流的死区面积比叉排管要大，这对整体翅片管的换热性能有不良影响。顺排叉排方式换热性能的差异分析由上图关系图得出，在研究的来流速度范围内，叉排管束的换热性能要明显优于顺排管束，从速度场温度场分析，主要由于顺排时前后排管的尾流区连接在起形成了宽度为的尾流通道，其宽度和面积都比交叉排列时大，而尾流漩涡区的速度几乎为零，换热能力很差，从而导致顺排传热性能比叉排方式要差。图叉排管束压力分布图图顺排管束压力分布图图不同管排方式关系图顺排叉排方式压降特性的差异分析由上图速度压降关系图可知，相同几何参数及来流速度情况下，叉排管压降明显大于顺排，表明叉排阻力要大，这与叉排管内流体的扰动强于顺排，顺排管内的速度压力分布更均匀的实验情况是相符的。图不同管排方式速度与压降图结论平直翅片管换热器是工业传热过程中的关键设备，以其结构简单轻巧紧凑高效耐用综合性能较好等特殊优点，已在制冷空调电子器件散热及工业生产等领域中得到了广泛的应用。因此研究提高翅片管式换热器换热效率的方法，使换热系统装置尺寸减小能耗降低换热增强，具有重要的现实意义。本文就针对空调内常用的翅片管换热器为实际模型，建立模型进行数值模拟，探究了多种因素与翅片管换热与流动特性的关系，并在整个学习计算过程中得出以下结论在对物理模型划分网格时，根据流体流动特性进行划分，在速度压力温度梯度较大区域要进行网格加密，在近壁面处由于边界层影响，也要进行加密，从而使计算更精确更易收敛。对于平直翅片管换热器，随着雷诺数增大，数增加，换热能力增强，同时流动阻力也在增加，阻力系数随着雷诺数的增大，逐渐平缓。且管壁前缘换热较强，管后尾流区存在滞止涡流，使管后面积不能得到有效利用，换热很差。因此，要强化翅片管换热，充分利用管子前缘效应和改善管后流动分布与换热性能是行之有效的方法。对于翅片间距的影响，当空气进口速度数范围时，随翅片间距的增加，换热逐渐增强。同时，翅片间距减小，流动阻力增大，阻力系数减小，并随雷诺数的增加，趋势变缓。对于管排数的影响，单排管换热性能优于双排管束，且管排越多，压降越大。对于管排横向间距，横向间距越大，空气漩涡流扰动减弱，换热能力减弱，阻力略微下降，但影响不大。对于管排纵向间距，纵向间距越大，换热系数略有下降，但在本研究范围内影响不大。而流道宽度随间距增大而增加，使流体更易自由流动，流动阻力下降。对于管排方式，叉排换热性能明显好于顺排，但流动阻力也较顺排方式大。参考文献许伟，闵敬春几种典型翅片传热及阻力特性的数值研究与分析北京清华大学，李祥华，宋光强几种新型换热器的特点及使用状况对比化肥工业，刘卫华百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研究石油化工高等学校学报，孟继安基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用北京清华大学航天航空学院鹿世化种翅片管换热器内部流场的数值模拟与实验研究南京南京航空航天大学能动学院陶文铨计算流体力学与传热学西安西安交通大学出版社陶文铨计算传热学的近代进展北京科学出版社陶文铨数值传热学西安西安交通大学出版社刘建，魏文建，丁国良翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展制冷学报，陈楠，申江等管翅式表冷器数值模拟与性能分析低温与超导，徐百平，江楠等平直翅片管翅式换热器减阻强化传热数值模