几种常见翅片通道内流动与传热的数值模拟

作     者：徐赛 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱慧铭

授予年度：2015年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：板翅式换热器 平直翅片 锯齿翅片 波纹翅片 湍流普朗特数 低雷诺数模型 

摘      要：板翅式换热器具有结构紧凑、效率高的特点,被广泛应用在汽车、航空、空分等领域。利用经实验验证的CFD模型来揭示狭小翅片通道内局部流动、传热特性,对优化翅片结构、开发新型翅片有实际应用价值。本文针对平直、锯齿、波纹翅片通道内流动的特点,选择合适的低雷诺数湍流模型并结合湍流普朗特数模型,建立了准确计算翅片性能的三维数值模型。通过以上两个改进措施,使得平直翅片的计算j因子的平均绝对误差从17.94%降到6.93%,提高了计算精度。同时通过计算发现翅片中心处与进口流体温差较上(下)盖板与进口流体的温差低5-18%,忽略翅片纵向导热或将模型简化为二维流动会带来误差。针对18种不同几何结构的平直翅片进行数值模拟,得到翅片性能关联式,该关联式较日本神钢“ALEX性能曲线有更高的精度。在验证锯齿形翅片数值模型正确性的基础上,探究了雷诺数、翅片厚度、翅片节距、翅片高度等参数对流动、传热的影响;其中翅片厚度和翅片节距对性能影响较大。随着翅片厚度增加,在迎风面后侧会形成对称的涡流区域,使压降增大而对强化传热效果不明显;减小翅片节距,破坏锯齿形翅片通道内温度边界层和速度边界层更频繁,传热系数和压降均增大。通过与实验数据对比,验证了计算波纹翅片通道性能的数值模型的正确性,并比较了在不同雷诺数下翅片通道内的流动状态。在低雷诺数区域流体流动与平直翅片相似;随着雷诺数增大,流体在波峰、波谷处形成涡流区域,使壁面区域流体与主体流体发生混合,强化传热过程。在纵向方向上,靠近上下盖板区域存在对称的Taylor-Gortler涡;在过渡流区域涡流较大;而在湍流区域,湍流会抑制Taylor-Gortler涡的形成,涡流变小。