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1、分分 类类 号号 学号学号 M201270996 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 V V 形形翅片管式换热器翅片管式换热器的的数值模拟数值模拟研究研究 学位申请人学位申请人 ： 吕如兵吕如兵 学 科 专 业学 科 专 业 ： 制冷及低温工程制冷及低温工程 指 导 教 师指 导 教 师 ： 李嘉李嘉 副副教授教授 答 辩 日 期答 辩 日 期 ： 2015 年年 5 月月 23 日日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the M
2、aster of Engineering Numerical simulation and analysis of V-shaped heat exchanger Candidate : Lv RuBing Major : Refrigeration and Cryogenics Engineering Supervisor : Assoc.Prof.LiJia Huazhong University of Science 其中， 2() + ，这个公式表示的是流体流动充 分发展时的湍动能耗散率； 2 2 () + ， 这个公式表示的是流体流动的宏 观湍流耗散率。 华华 中中 科科 技技 大大
3、 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 17 2.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了 Fluent 软件中的多孔介质模型，以及在利用该模型模拟翅片管式 换热器空气侧的流场流动时用到的一些概念的介绍，具体内容包括： （1）在多孔介质模型理论假设的基础上，详细介绍了几个多孔介质模型的宏观结 构特性参数，包括多孔介质的孔隙率、渗透系数和渗透率等，并对它们的定义以及相 互之间存在的转换关系进行了系统性阐述。 （2）在纯流体流动数值计算控制方程的基础上，利用体积平均化方法推导出了多 孔介质内部流体流动的数值计算控制方程。 （3）推导出的动量方程中的动量源项方程，为第三章多孔区域中惯性阻力系数和 粘
4、性阻力系数的计算提出了一种高效可行的方法，使得这种方法应用在模拟翅片管式 换热器外侧空气的流场分布成为可能。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 18 3 开缝翅片流动与换热特性的数值模拟开缝翅片流动与换热特性的数值模拟 3.1 本章引言本章引言 翅片管式换热器通常用在两种流体之间的热量传递过程，用在空调冷凝器和蒸发 器中时，管外侧通常为空气与翅片之间的强制对流换热过程，相比于管内侧，管外侧 的对流换热系数较小。本章针对本文的研究对象即 V 形翅片管式换热器中使用的开缝 翅片外侧的空气流动与换热情况进行了模拟研究，利用 Fluent 软件对这种形式的翅片 换
5、热与空气经过翅片表面的流动状态进行了分析研究。 3.2 数值模拟方法数值模拟方法 3 3.2.1.2.1 物理模型和物理模型和数学数学计算计算模型模型的建立的建立 本章针对开缝翅片管式换热器中常用的三种管规格，即外径为 9.52mm、7.94mm 和 7mm 的换热铜管分别翅片间为 1.3mm、1.6mm 和 1.9mm 下的管外空气的流动和换 热特性进行了数值模拟。 具体的模型参数为: 翅片厚度为 0. 105 mm ,开缝宽度为 1. 0 mm ,开缝高度为 0.5mm， 铜管外侧温度 46.85, 迎面风速分别取 1 m/s、 1.5 m/s、 2 m/s、 2.5 m/s、 3 m/s
6、， 流体进口温度 34.85,在 4 个翅片之间的区域进行求解,并且沿气流方向的进出口边界 分别延长 6mm 和 30mm，避免出口处流体出现回流现象。 其中不同管径时的管间距参数如表 3-1 所示。以管径为 9.52 mm 的传热管为例， 翅片计算模型结构如图 3-1 所示(图中长度单位均为 mm )， 图 3-2 为 gambit 中建立的翅 片模型。 表 3-1 物理模型参数 管子外径 纵向管间距 横向管间距 9.52mm 12.7mm 22mm 7.94 mm 12.5mm 14.44mm 7 mm 10.5mm 13.37mm 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位
7、位 论论 文文 19 图 3-1 翅片管计算区域结构示意图 图 3-2 翅片模型三维示意图 3 3.2.2.2.2 边界条件边界条件 在对开缝翅片进行数值模拟计算时，空气入口边界条件设置为速度进口边界条件， 出口边界条件设为 outflow 的自由出口边界条件。 3 3.2.3.2.3 网格划分网格划分 在 Gambit 中对模型进行非结构化的网格划分，依照边、面、体的网格划分顺序先 后对模型进行网格划分。在此采用非结构化网格是为了模型导入 Fluent 中之后能进行 更好的计算，在 Fluent 中采用非结构化网格特征的两个重要优点是： 1）缩短网格划分所需的时间。 2）不会因插入新的网格点
8、降低其它网格的质量，非常适用于 Fluent 软件中的自适 应调整功能。 由于空气在流经两个翅片之间时的空间尺寸较小，为了保证空气与翅片之间的流 动边界层的计算精度，在之间的区域采用了小尺寸的局部加密的处理方法。以管外径 为 9.52 mm、翅片间距为 1.6mm 的模型为例，网格划分之后最终所得的体网格数量为 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20 1903297，节点数为 2101119，图 3-3 和图 3-4 分别为计算区域和翅片的网格示意图。 图 3-3 计算区域的网格示意图 图 3-4 翅片网格示意图 3 3.2.4.2.4 计算的控制方程计算
9、的控制方程 在对开缝翅片空气侧的流体流动换热模拟的过程中， 运用到的微分方程如公式 （3-1） （3-5）所示： 连续性方程： ()()() 0 uvw xyz （3.1） 动量方程： ()()() ()()() uuuvuwuuup xyzxxyyzzx （3.2） ()()() ()()() vuvvvwvvvp xyzxxyyzzy （3.3） 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 21 ()()() ()()() wuwvwwwwwp xyzxxyyzzz （3.4） 能量方程： ()()() ()()() ppp uTvTwTkTkTkT xyzx
10、cxy cyz cz （3.5） 3 3.2.5.2.5 计算中有关物理量的计算公式计算中有关物理量的计算公式 本章中关于特征尺寸 L 定义如下： 12 12 2()() ()() sds L sds （3.6） 式中， 1 s 为管间距， 2 s 为排间距， d 为管外径，为翅片间距。 换热量 Q 的计算公式： （3.7） 式中， p c 为空气的定压比热容， m u 为计算容积内沿流动方向平均流速 c A 为空气进口 截面积， t 为空气进出口温差， o 为空气密度。 管外流动换热系数 h: （3.8） 式中，S 为换热面积 ，t 为对数平均温差，由于空气与换热管壁温之间的温差不 大，此处
11、的对数平均温差采用算术平温差，即翅片的平均温度与空气进出口平均温度 的差值来替代。 3.3 模拟模拟结果分析结果分析 针对 9.52mm、7.94mm、7mm 这三种常用的传热管径，在 1.3mm、1.6mm、 1.9mm 这三种翅片间距下，我们对开缝翅片空气侧的流动换热特性在迎面风速分别为 1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s、3.0 m/s 下进行了模拟，模拟结果分析如下。 3 3.3.1.3.1 流场和温度场流场和温度场结果分析结果分析 以 9.52mm，间距 1.6mm，流速 2.5m/s 的开缝翅片为例：图 3-5，3-6 分别为在 华华 中中 科科 技技
12、大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 22 Z=0.5mm 的截面上空气的速度矢量图和等速线图。 图 3-5 空气流动的速度矢量图 图 3-6 空气流动的速度等值线 从图 3-5、3-6 中可以看出：空气流经开缝翅片时，在管外侧至脱体点之间的区域 空气流速较大，换热管后侧的尾流区域速度较小。图中还可以看出翅片开缝处的空气 流动得到了比较大的扰动，使得换热效果得到强化。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 23 图 3-7，3-8 分别为在 Z=0.5mm 的截面上空气的温度场云图和等温线图。 图 3-7 空气侧的温度场云图 图 3-8 空气侧的等温
13、线 图 3-7、3-8 空气流经开缝翅片的温度场显示，空气温度沿着进口方向逐渐增加， 与图 3-5 和 3-6 的速度分布图对比可以发现在空气流速小的区域，温度较高。在翅片的 开缝处空气温度也较高，主要是由于开缝的存在使空气流动的扰动增加，增加了换热 系数，从而使该区域空气的温度也比较高。 3 3.3.2.3.2 不同流速不同间距下开缝翅片的流动换热特性不同流速不同间距下开缝翅片的流动换热特性 图 3-9 是传热管径为 9.52mm 时， 开缝翅片在不同流速和翅片间距下的压降和换热 特性。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 24 图 3-9 管径为 9.5
14、2mm 时，开缝翅片的流动和换热特性曲线 管径9.52mm的开缝翅片的压降特性 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.511.522.533.5 迎面风速Um(m/s) 压降P (Pa) 间距1.9mm间距1.6mm间距1.3mm 管径9.52mm的开缝翅片的摩擦系数 0 4 8 12 16 0.511.522.533.5 迎面风速Um(m/s) 摩擦系数f 间距1.9mm间距1.6mm间距1.3mm 管径9.52mm的开缝翅片的换热特性 30 45 60 75 90 105 0.511.522.533.5 迎面风速Um 换热系数 h 间距1.9mm间距1.6mm间距
15、1.3mm 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 25 图 3-10 是传热管径为 7.94mm 时，开缝翅片在不同流速和翅片间距下的压降和换 热特性。 图 3-10 管径为 7.94mm 时，开缝翅片的流动和换热特性曲线 图 3-11 是传热管径为 7mm 时，开缝翅片在不同流速和翅片间距下的压降和换热 管径7.94mm的开缝翅片的压降特性 0 20 40 60 80 100 120 0.511.522.533.5 迎面风速Um(m/s) 压降P (Pa) 间距1.9mm间距1.6mm间距1.3mm 管径7.94mm的开缝翅片的摩擦系数 0 4 8 12 16 0.511.522.533.5 迎面风速Um(m/s) 摩擦系数f 间距1.9mm间距1.6mm间距1.3mm 管径7.94mm的开缝翅片的换热特性 50 70 90 110
