含球凸/球凹板翅式换热器的数值分析

在普通平直翅片板翅式换热器基础上演变而来的含球凸/球凹的板翅式换热器具有结构稳定、换热面积大、换热能力强和强化传热效果显著等优点,在工农业的热量传递设备中具有广泛的应用前景。本文采用同位网格上的SIMPLE算法,在雷诺数Re=550~1700的范围内对比研究了矩形通道下球凸/球凹板翅式换热器与平直翅片板翅式换热器的流动及传热问题。研究表明,在相同的流动速度下,冲压有球凸/球凹翅片的矩形通道努塞尔数要比平直翅片的矩形通道高47%~108%,同时冲压有球凸/球凹翅片通道的阻力系数也要比平直翅片通道高69%~140%。分析得出球凸/球凹的存在能够产生数量多、强度大的二次流,从而进一步促进冷热流体的相互混合,但是在强化对流换热的同时流动阻力也有较大的增加。     

管束排列方式对矩形翅片椭圆管束性能的影响

采用标准k-ε模型,对错排和错列两种排列方式在不同管间距下共24种结构进行了计算分析,发现错列结构的换热性能和综合性能均优于错排结构.错排结构性能跟横向管间距关系较大,而错列结构的性能对管间距并不敏感.通过对两种结构的流场、温度场特征分析,发现错列结构类似于圆管换热器中的叉排,错列结构在强化翅片换热的同时也强化了管子的换热,该结构具有较大的管束进口压力损失是造成其空气侧总压降大于错排结构的主要原因.     

翅片阵列对翼面的冲击换热影响数值模拟研究

曲面冲击换热在飞机机翼前缘防除冰上有着广泛应用.为了进一步提高翼型前缘防除冰性能，采用数值模拟依次探索了不同翅片阵列在平板和曲面上的冲击换热特性.平板模型的翅片阵列包含8片、12片直翅片以及12片弯翅片3种结构；曲面模型包括8片短翅片和8片长翅片两种阵列结构.仿真结果表明：在平板和翼型曲面上添加翅片阵列可以显著提高模型在不同雷诺数下的射流冲击换热性能；与无翅片相比，翼面上的换热效果整体提升高达4%～10%,其中在驻点位置处的强化换热效果最为明显.深入分析发现，引入的翅片阵列一方面增大了强化换热面积，同时也改变了冲击射流流动结构，从而增强了射流冲击换热的效果.     

三种大管径翅管式换热器传热与阻力特性的试验研究

为考察不同翅片形式以及管排数对空气侧强化传热的影响，分别对9排和12排带平直、开缝、纵向涡3种翅片形式共6个翅片管换热器元件空气侧的传热及阻力性能进行了试验研究，发现开缝翅片管换热器的传热性能高于带纵向涡翅片管换热器和平直翅片管换热器，但阻力相应也增加，带纵向涡发生器的翅片传热性能略低于开缝翅片，但阻力却只比平直翅片稍大，这表明采用这种翅片形式可获得较好的综合性能．不同管排数的同一片型换热器的努塞尔数及阻力因子相差很小，可以认为与管排数无关．在试验的雷诺数范围内针对各个试件整理出了传热和阻力的经验关联式，可为相关的理论研究和工程应用提供参考．     

双排平直翅片管换热器换热和流动性能的三维稳态模拟

利用三维稳态模拟研究了叉排和顺排布置形式、几何尺寸和雷诺数ReD对双排平直翅片管换热器换热和流动特性的影响。研究结果表明:尾流区面积是影响换热量的主要因素,其原因是尾流区的风速很小,部分空气无法被主流带走,造成了空气和翅片间的温差很小,努塞尔数NuD接近零;顺排管换热器前排管的尾流区较宽,并与后排管的连接形成宽度为D的尾流通道,形成了比叉排管换热器大的尾流区面积,因而前者的换热效果比后者差。在几何参数中,翅片间距对换热量的影响最为显著,因为翅片间距较大时,管前和管侧会产生向下游移动的马蹄形漩涡,显著强化了换热;流动方向或垂直于流动方向的管间距的减小,会增大前排管尾流区对后排管的影响,从而恶化传热。     

平直-波纹翅片椭圆管外空气流动与传热特性的数值研究

利用三维稳态湍流数值模拟方法,研究了物性参数为常数的空气在波纹翅片椭圆管和4种不同结构参数的平直-波纹复合翅片椭圆管换热器翅片间的换热与流阻特性,揭示了空气进口流速(或雷诺数Re)、平直-波纹复合翅片中波纹段占有比例以及所处位置对翅片表面平均努塞尔数Nu、压差损失Δp和翅片管综合换热性能因子j/f影响的规律。结果表明,复合翅片中波纹段所处的位置对换热强度的影响显著,但对流动压降(Δp)的影响甚微;复合翅片中波纹翅片所占比例的多少是影响Δp的关键因素;翅片宽度方向平均Nu(x)的变化主要发生在翅片起始段,不同结构翅片末段的Nu(x)值相差很小,但此处的波纹翅片却会使总压降增加,即翅片末段宜采用平直翅片;几种翅片椭圆管换热器的综合性能j/f均有最佳值产生,起始段为6个波长波纹翅片与末尾段为8个波长的平直翅片形成的复合翅片椭圆管换热器的综合性能最佳。研究结果将对翅片管换热器的选型设计提供理论指导。     

开缝翅片流动和传热性能的实验研究及数值模拟

对2排X型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究, 在实验的 Re范围内得出了传热和阻力的性能关联式及特性曲线.比较得出,开缝翅片的传热性能远高于平直翅片,与单向开缝翅片相比,X型双向开缝翅片的性能更好.通过数值模拟得出了 X型双向开缝翅片的效率计算曲线.应用场协同原理,对数值模拟得到的气流在2片翅片之间的温度场、速度场、对流换热系数及压降在流动方向上的沿程变化进行了分析.结果表明,开缝翅片有效强化传热的根本原因是翅片开缝后改善了速度和温度梯度的协同性.     

轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响

为了降低轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响,利用计算流体力学软件Fluent,分别计算了考虑轴向导热模型和不考虑轴向导热模型的换热因子,引入无量纲参数传热恶化率(η)来评价轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响程度,讨论了流体工况下翅片类型(平直翅片和锯齿翅片)、翅片结构、流体种类、翅片材料等因素对η的影响。计算结果表明,轴向导热对板翅式换热器传热性能的影响程度较大,流体工况下翅片类型、流体种类、翅片结构、翅片材料等因素对η均有所影响。其中,对于不同流体工况,当Re小于等于600时,η较大,此时在翅片的设计和选型时需要考虑轴向导热对其传热性能的影响;对于不同的翅片类型,在Re小于等于600时,锯齿型翅片的η低于平直翅片;对于不同翅片结构,无量纲参数β为70、翅片密度为4.1的此类平直翅片的η最大,在翅片选型时应尽量少选此类平直翅片;对于低温流体,Pr越大,其η越大;对于不同翅片材料,在综合考虑强化换热和减小轴向导热影响两方面因素下,并非高导热系数材料的传热性能最佳,而是在不同Re下,最大换热因子均对应一个最佳的导热系数。     

纵向涡发生器在翅片管束中的位置优化

采用经过验证的层流模型,对带纵向涡发生器的单排翅片管束的流动换热进行建模分析,就距离圆心4种距离、5种角度的纵向涡发生器对翅片管束性能的影响机理展开分析,发现涡发生器对翅片管束的作用表现在翅片上弱换热区大小的改变和沿流动方向涡量强度的改变两个方面.涡发生器能够推迟圆柱绕流的分离点进而减小管后弱换热区,同时能够利用较大涡量的主涡使局部核心区的流体混合,提高流体的温度梯度.对比结果表明,在雷诺数范围为600～2 600,对单排圆管翅片管束而言,涡发生器相对翅片管束圆管中心为130°同时离圆心相对距离为1.36时效果最好,综合性能指标提高7%～30%;对于两排翅片圆管管束,顺排和叉排都在第二排涡发生器角度为120°时效果最好,综合性能指标提高分别可达15%和28%.     

扇形内翅片石墨管层流强化传热性能

利用数值模拟方法对一种高黏度的油类介质在6种不同布置交错角度(0°,30°,45°,60°,75°,90°)的扇形内翅片石墨换热管中层流的强化传热和流动规律进行了研究.结果表明,扇形内翅片的强化换热效果明显.与无翅片的石墨换热管相比,6种布置角度的扇形内翅片对流换热系数分别增大22.69%,42.49%,62.28%,63.44%,65.47%,66.47%.就流动性能而言,扇形内翅片的石墨管6种布置角度下的阻力分别增大了191.88%,252.01%,333.10%,364.33%,385.51%,400.43%.为了明确石墨管内添加扇形内翅片后的强化传热效应,采用了换热性能评价指标(PEC)对6种布置角度进行了评价研究,结果显示45°布置角度时PEC评价准则数的平均值达到最大,为1.265,说明布置角度为45°时强化换热效果最理想.     

蒸发式空冷器低密度翅片管束干工况换热及阻力特性

建立了工业用8排翅片管束空冷实验装置,讨论了翅片管干式空冷代替光管湿式空冷的可行性,研究低进口风温、风量对翅片管干式空冷换热的影响。实验结果表明:低进口风温下,翅片管干式空冷可用来代替光管湿式空冷换热,降低进口风温能有效强化翅片管干式空冷换热,其换热能力亦随着配风量的增加而提高。实验中翅片管管外换热系数和管束压降实验值与国外关联式计算结果有差别,拟合给出本实验翅片管管外传热关联式及管束压降关联式,为工业应用设计提供依据。     

板翅式换热器平直型翅片的对流传热数值模拟研究

本文通过数值模拟的方法研究了平直型翅片的板翅式换热器的对流换热性能,最后得出了三种不同翅片高度和三种不同翅片截距的翅片的平均Nu数和压降随Re数变化的曲线。     

条形翅片管换热器的性能研究

本文介绍了一种近似计算条形翅片管换热器空气侧换热系数和流动阻力的方法,换热系数是用条形和平翅片处换热系数按面积加权平均的方法来求得的。这种计算方法与试验结果比较吻合。通过对国内生产的条形翅和平翅片(进口边缘有波纹)管的试验表明,在相同迎面风速(w_f=1.8m/s)和片距下,条形翅片管换热器的传热系数比平翅片管换热器约高50%,但相应的流动阻力仅增加25～30%。因此,对条形翅片管换热器可采用较大的片距(每10mm4～5片)或比平片更少的排数,这样不仅可以在相同的空气阻力下传过更多的热量,而且还可以大大地节约翅片材料。     

燃气水加热器用翅片管换热器传热特性的实验

研究了3种管子与4种管子（N＝1，2，3，4）及10种管排间距的平直翅片管换热器试件在燃气水加热器中的换热特性。在该类型换热器常用的雷诺数（Re=180-400)范围内，考虑了包括翅片间距，翅片高度，管排横纵向间距等因素对于平直翅片管换热器的影响。给出了平直翅片管换热器在该类水加热器中应用的可靠率在95％以上的换热关联式。得出Re，翅片间距，管排数对换热的影响规律。在Re=180-400,Nu与Re基本呈线性关系；在N＞3后，管束的换热性能差异较小，为这种换热器的设计，选型及优化提供了依据。     

星型内插件高温换热管强化传热研究

采用实验的方法对星型内插件高温换热管强化传热进行了探讨和研究。对不同翅片内插件高温换热管辐射传热对整体换热系数的影响进行了讨论。结果表明：随着管壁平均温度的增加或翅片数的增多，内插件强化管总体对流技热系数增大，辐射热影响程度增加。若允许摩擦阻力系数增加一倍强，就可使总的对流换热系数较先管提高50％。     

带扰流孔的矩形翅片表面换热机理的实验研究

采用质热比拟技术，对带扰流孔的矩形翅片椭圆管翅片表面的局部和平均传质系数进行实验研究，通过对翅片表面局部传质系数的测定，揭示了翅片表面气流的流动和对流换热机理，以及扰流孔对单排管翅片表面换热的影响，结果表明，在一定参数下，增加扰流孔数可使换热强化，但中间位置的扰流孔对换热起的作用不大。     

翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟

借助CFD软件对3种不同类型的翅片管式换热器(平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片)的流动传热性能进行了三维数值模拟计算,得出了在不同入口风速下各流域中心面的温度场、压力场和速度场分布图,计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数,并与相关实验数据对比,证明该数值模拟的正确性.研究结果表明,倾角渐增波纹翅片的平均努谢尔数比平直翅片的高13.8%~29.3%,比均匀波纹翅片的高5.5%~10.3%,其强化传热效果显著.     

错齿翅片的传热与阻力性能试验

对9种不同结构参数的错齿翅片进行传热和流动阻力性能试验,分析比较翅片的间距、高度和节距等结构参数对其传热因子和阻力性能的影响.同时,利用场协同原理揭示错齿翅片强化传热的机理,并采用单位面积泵功率的评价方法,比较9种翅片的强化传热效果.结果表明,错齿翅片的节距和长度对其热工性能影响最为显著.     

增压空冷器用开缝翅片的结构优化设计

利用粒子图像测速技术和红外热成像技术,对增压空冷器用圆弧型和X型开缝翅片空气侧的流动和传热特性进行了可视化实验研究．在实验的雷诺数（800-3400）范围内,得到了阻力和换热特性曲线,以及能反映流动和传热微观特性的流场和温度场．实验结果表明,圆弧型开缝翅片的阻力小于X型开缝翅片,并且前者在强化圆管背风侧的换热特性方面优于后者,但后者整体的场协同性和换热性能优于前者．结合两种翅片的优点,优化设计出了一种新型的开缝翅片（X圆弧型）．对3种开缝翅片的流动和换热特性进行了数值模拟。模拟结果与实验结果吻合得很好．模拟结果表明,优化后的X圆弧型开缝翅片的场协同性、换热性能均优于前两种翅片．新翅片在考虑了阻力因素后的综合换热性能较圆弧型开缝翅片提高了7％～15％,较X型开缝翅片提高了3％～9％．     

基于正交试验和Fluent的管翅式换热器结构优化

通过正交试验和数值模拟相结合的方法研究平直翅片管式换热器的换热和流阻特性,以换热系数和压降作为评价指标,用逐个分析各参数对换热和流阻特性的影响以及综合换热评价指标两种评价方法实现对换热器风机风量、翅片间距、厚度和管横纵向间距的优化。结果表明：翅片间距对压降影响最大,管纵向间距对空气侧换热系数影响最大;一种优化组合为风机风量1 450 m³/h、翅片间距2.4 mm、翅片厚度0.38 mm、管横向间距28 mm和纵向间距15 mm,另一种优化组合为风机风量1 700 m³/h、翅片间距2.4 mm、翅片厚度0.38 mm、管横向间距28 mm、纵向间距21 mm;使用优化换热器的冰淇淋机的换热能力比原设备分别提高了5.73%和6.85%。