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1、不同翅片高度和均匀壁温的内翅片管在层流流动时的传热不同翅片高度和均匀壁温的内翅片管在层流流动时的传热O. Zeitoun A. S. HegazyMech. Eng. Dept., King Saud University, P.O. box 800, 11421 Riyadh, Saudi Arabia摘要摘要提出了一种在一纵向内翅管提供并均匀外壁温度充分发展层流对流换热的分析。齿安排在两组不同的高度。已经解决了非线性微分方程数值计算得到的速度和温度分布。所得结果表明,对不同几何形状的翅片管，翅片高度很大影响了流动和传热特性。减少高翅片组显著降低摩擦系数。在同一时间奴塞尔数分别稍微降低,以使
2、该减少是有道理的。因此,使用不同的翅片高度内部翅片管的传热强化能够在合理磨擦系数低。介绍介绍内翅片管广泛地应用于额外的热传递区域能被提供的换热器,从而传热得到扩增。早期的分析能力和与实验研究已经涉及在层流流动与相同翅片高度的内翅片的传热。这些研究的结果包含的速度分布、摩擦系数、温度分布及奴塞尔数分别,以及翅片传导性对换热特性的影响。内部的传热过程的有效性取决于不同翅片管等因素导度,延长了固体和流体之间的翅片传热表面,和局部的传热系数。每个这些因素往往取决于别人。对于一个给定的导热系数值的翅片的材料,以提高翅片导电,有必要增加厚度和降低高度。增加换热表面,翅片的延长必须增大。需要减轻重量的内翅片
3、管,事实上,在热交换器上变得越来越重要。因此,翅片厚度都必须减少。增加翅片表面积的结果在于提高高摩擦系数,因而需要高能量来抽送流体通过管道。局部的传热系数取决于翅片形状和间距不同的方法。很多研究已经展开,研究这个问题优化翅片表面的形状,来增加传热效率和减少尺寸和重量的内翅片管。这些调查导致找出了型材传热,最大限度的体现了翅片管的单位长度或表面。然而,这类型材制造起来似乎太复杂。此外,关于摩擦系数还没有出版,预计相对较高。不断改进的翅片之间局部换热系数可以通过改变速度模式。如果内翅片管不同高度的速度模式，他们之间将会改变。本论文旨在探讨不同高度上翅片在内翅片管换热上使用的影响。因此,本文提出了一
4、种为充分开发分析层流对流换热与牛顿液体在管道提供了两组内部翅片。这两组有不同翅片高度。翅片以这种方式被安排。每两个连续的翅片都是不同的高度。因此,一定数量的翅片应均匀。分析分析图1中指出了内翅片管流动的领域在被研究在当前的研究论文。管内半径ro。翅尖躺在两个圆弧半径,r2与r1,随着管的中心线的同心轴。翅片是直的并且均匀分布在四周外围的管道截面。由于几何对称性对流动的领域正如图1显示，对控制方程的解答只在两个连续的翅片的中心线之间寻找,即= 0和=之间。假定的流动稳定,层流和完全发展。此外,假定流体符合牛顿，有统一的性质和流体粘滞耗散被忽视。在此环境下,动量方程减少到:利用无量纲变量:Eq.
5、(1)可以写在一个无量纲形式为:研究了边界条件的域名,是:为充分发展的温度场分布和微不足道的轴向传导、水流能量方程可归纳为:不变的温度场分布的轴向的条款可以写在无量纲温度为:使用由 Eqs.(2)和(6)，Eq.(5)给出的无量纲的变量能被写在下面无因次式:Af是无量纲的流道面积，表示为：按同样的方式，传导方程内翅片在一个无因次式可以写成由于:适当边界条件为Eqs. (7) 和 (8)上面的论文域名:Fig. 1. Flow field geometry计算方法计算方法微分方程(3),(7),(9)受由方程(4)、(10)给定的边界条件解决了有限体积法数值模拟。该方法的细节在Patankar1
6、5中给出。 一个3137(半径角)网格运用过程中计算领域。在方向网格间距被选中成为更好的在和靠近翅片壁的地方(0.02 rad)。 在r方向,网格间距更接近管壁和翅片下游(R0.02)。细网格计算在探索不同翅片管几何图形及由此产生的速度和温度的变化值都太小,以证明该增加计算时间。离散方程由方程式(3)、(7)、(9)整合得到。方程(3)无量纲速度和方程(7)、(9)的温度的迭代解决了所得到的离散方程。迭代过程中解决方案收敛一直继续,方程(3)无量纲速度和方程(7)、(9)温度随之变化，在之前的迭代步小于10 x的他们的价值观。由方程(3)解得的速度分布图被用作为解决方程(7)。无量纲体积速度U
7、b、温度b用辛普森的规则计算。众所周知的通过光管层流的情况的预测16测试这计算技术。速度和温度结果的剖面图显示偏差小于0.5%,而摩擦系数结果显示最大偏差在0.08%f.Re和奴塞尔数结果显示为0.44%最大误差。数值精度的验证程序,数值计算结果的解决方案是先取得对翅片高度相等情况下(H1 = H2 = H)和比较了其他报道在3。表1显示的值平均奴塞尔数分别怒中预言当前工作和接受在文献3。怒是求解方法后来所描述的摘要。表1所涵盖的Nu范围为N = 4、8、16、H = 0.2,0.4 0.6,0.8和KR= 1、5、10、。有一点是很清楚的,从这表两部作品的Nu价值观之间的差别的是相当小,对低
8、翅片数N、翅片的高度H和翅片电导参数KR。它增加,会随著N,H和KR增加。它达到最大的5.6%的测试范围。这可能发生因为在这目前,热导纸内翅片被认为是在两维空间,而不是作为在一维在3。能够揭示这种效应不相等的高度上的翅片的流体和对流内部翅片管的对流换热的计算,证明范围覆盖:单值代表一个典型的价值对已制造和测试内翅片管1。结果和讨论结果和讨论光滑管半径为ro、摩擦系数f和雷诺数Re通常定义为:和方程 (12)和(13)已经使用了内翅片管摩擦系数结果,因为他们提供了依据与光滑管比较。fRe可以放在下面的无量纲形式:为确定计算流体流速的分布以及翅片和流体执行的温度,适用于广泛的内部翅片管结构。基于方
9、程(14),平均摩擦系数已经决定了。样品的结果显示在图2(a、b、c和d)为H2 = 0.2,0.4 0.6,0.8,并且分别地H1 = H2。在这个图里,fRe与无量纲高度H1相对标绘。这翅片数N的图表在图2是4、8、12到16。它被认为是从图2,H1一样和H2对摩擦系数f值影响很大。它增长的很快随H1和H2增加了。然而,保持他们之一的值高和减少其他结果在fRe上相当大的减少。同时,有一点是很清楚,这个数字,从摩擦系数增长起来了在所有的情况下数量在增加。显示的贡献进行了管道和翅片表面以传热,比率Qf/Q的由各翅片传热速率,在固体表面的流体界面(翅片和光管壁表面限制在两翅片间)进行了图示在图3
10、中与无量纲的翅片高度H1为H2 = 0.2,0.4，0.6至0.8和,对于N = 16,而KR= 10。很明显,当从这个数字这两个翅片有相同的高度,他们彼此相等传热(如下，Qf1 / Q = Qf2 / Q)。作为高翅片变得更短,其贡献是传热减少了而长翅片贡献增强。它也是从图3,Qf2/ Q和 Qf1/ Q的总和差不多是常数。短翅片的影响几乎消失在传热过程，无量纲的高度H1成为少于0.55。 一个可以清楚地看到,从这个数字之间的传热过程流体和固体表面几乎是所带来的表面翅片而无翅片固体管表面对这一过程的贡献微不足道。参数,也就是一般用来衡量传热在一个表面上是努塞尔数定义为:从它如下:在无量纲形式
11、:通过方程(16)给出的奴塞尔数值可用于传热学的提高上不同的翅片管几何形状效果进行比较的。奴塞尔数分别得到的样品显示在图4、5、6、7翅片数N = 4、8、12、16和翅片电导参数KR为1、10、。在图表这些奴塞尔数Nu相对无量纲的高度H1被绘制,H2 =0.2,0.4,0.6，0.8且H1 = H2。它是能被注意到这里的这些数据的图表用不同尺度绘制。所示图4、Nu增加在低翅片数(N = 4)相对于H1小速度当H2小于0.6。 作为H2变得大于0.6,Nu与H1增长速率显著升高,尤其是当H1接近H2(H1 0.25)。此外,有一点是很清楚的,从图4Nu几乎不受电导参数KR影响当H2小于0.4。
12、在H2 0.4,Nu随KR增加轻微增长,的翅片对传热的贡献变得有点更强烈。至于大量的翅片(N 4,图5 - 7),Nu大大地依赖于H2和KR的之值。显然,图5 - 7显示范围内的H2小于0.6和KR研究范围值,加大H1到0.6导致Nu略微降低。并且,在范围0.0 0.3和0.68的分别地。然而,这个摩擦系数f随H1大大增加。因此,我们不推荐在这种情况下,用小数量的翅片( N 8)。在高KR值(约大于10),这取决于N,其中一峰值Nu出现小值H1或两个高峰值Nu上来;首先发生在小H1而第二发生在H1 = H2。(例如:在N = 16和KR= 10,第一个Nu峰值与值38出现在H1 = 0.275
13、,另一个发生在H1 = H2,具有价值28)。这是非常有利于提高翅片管的对流换热自高值 Nu即可获得了相对较低的摩擦系数(见。图2)。同时,很明显图5 - 7揭示的翅片数大于4日，翅片电导参数KR并不影响的奴塞尔数值的范围分别为H2更少超过0.4。作为H2超过0.4,奴塞尔数分别与成长的翅片值大幅上涨的导电率。图5 - 7和图4显示效果KR变得更加增强了随着翅片数量增加。结论结论从先前的分析和讨论,并得出以下结论,可以得出管道用两组内部提供有不同的高度翅片:1 摩擦系数随翅片的数量和翅片高度增加。然而,随着一组翅片的高度变短,摩擦系数大大降低。2 在一个内翅片管传热主要是由于表面的翅片,更是如
14、此当翅片高度很长。无翅片表面的贡献的管子是非常小的,比较翅片表面。3 奴塞尔数分别增加随着翅片热导率比率和翅片高度与管半径比值的增大流动性之间的比率增大。这一比率值较小,翅片材料的导热系数和流动性的比率对奴塞尔的影响是微不足道的。4 对于小比值的导热系数的材料和流体,努塞特数是几乎不受不同翅片高度除了在短翅片高度和管道半径这两者的比率范围大于0.6的影响。因此,在这种情况下,优先选择低数量的长高度翅片得到低摩擦系数。5 为增加奴塞尔数值为无翅片管的8倍,它是最好选择翅片的数量在4 - 8之间。与此同时,翅片应该做的相同的高度和翅片高度和管道半径的比率选择在0.6周围。这一选择结果有非常低的摩擦
15、系数。6 对于数量巨大的翅片(即大于8),高值的翅片和流体电导参数,奴塞尔数分别达到一个峰值，当长翅片高度和管道半径比率大于0.6在低比率较短的翅片高度和管道半径。这对提高翅片管传热非常有利的，低摩擦系数值在这种情况下所获得。References1. Watkinson AP; Miletti PL; Kubanek GR (1975) Heat transfer and pressure drop of internally finnedtubes in laminar oil flow. ASME Paper 75-HT-412. Marner WJ; Bergles AE (1978)
16、Augmentation of tube-side laminar flow heat transfer by means oftwisted tape inserts, static mixer inserts and internally finned tubes. Proceedings of the Sixth InternationalHeat transfer Conference, Toronto, Canada3. Soliman HM; Chau TS; Trupp AC (1980) Analysis of laminar heat transfer in internally finned tubeswith uniform outside wall temperature. Transactions of the ASME J Heat Transfer vol 1024. Soliman HM (1979) The effect of fin material on lamina
