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东进资讯:关于翅片管式换热器的研究

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1 物理模型

分别为叉排、顺排两种布置方式的翅片管式换热器。换热器采用24根φ15.9mm×1.05mm铜管,管排横向间距33mm,纵向间距38mm.翅片为平直铝制,片厚0.25mm,翅片间距分别为3.63mm、2.82mm、2.31mm.管内介质为热水,空气在相邻翅片形成的通道内流动。

2 数学模型

2.1 基本假设

①流体、圆管、翅片材料物性参数为常数;②流体为不可压缩流体;③流动为定常流动,层流;④流体在壁面处无滑移。

3 数值求解

3.1 网格划分网格划分较好可以大大简化微分方程的求解。

本文采用结构化的网格划分,网格数控制在50000以内,计算区域生成网格。

3.2 边界条件左端面为速度入口边界条件,空气入口速度变化范围为0.3~6m/s(雷诺数变化范围为70~1500),右端面为自由流出口边界条件,流体在壁面处无滑移。

4 数值模拟结果与分析

4.1 流场速度分布

管束叉排布置,由于管束的阻碍,圆管背风区绕流脱体、形成漩涡,而顺排布置,流体沿流动方向在圆管后方发生分离,与下一圆管前方流场相接,从而在相邻圆管间形成一流动死区。模拟结果与黏性流体绕过圆柱体的流动理论相一致。

x=0.0357mm(靠近翅片)和x=1.8mm(两翅片中心)截面上的速度分布存在较大的差别。由于壁面的影响,靠近翅片的截面上,圆管前方有回流存在,而翅片中心截面上圆管前方则没有形成回流。

4.2 圆管表面压力系数计算

条件为:空气入口速度2m/s,翅片间距3.63mm.显示了1~4排圆管表面不同位置的压力系数cp随角度θ的变化情况,横坐标θ=0°为驻点位置。叉排、顺排两种排列方式下,每排圆管表面的压力系数变化趋势相似,随着θ增大,cp变小,叉排布置的cp在θ=85°处达到最小,顺排布置的cp第1排在θ=85°处达到最小,后3排在θ=95°达到最小,然后逐渐增大直至稳定。随着排数增大,压力系数逐渐减小。比较两种布置方式下,第1排管壁的压力系数几乎相同,而后3排的压力系数叉排情况较顺排情况大。

雷诺数较小时,摩擦系数随雷诺数的增加而迅速减小,随着雷诺数的增大,摩擦系数趋于稳定。雷诺数相同的条件下,翅片间距越小,摩擦系数越大,尤其是在低雷诺数下,翅片间距对摩擦系数的影响较大。

5 实验验证

为验证本文所利用的三维层流模型的有效性,实验条件:空气入口速度变化范围为0.3~6m/s,管束布置方式为叉排。本文模拟结果能够很好与实验结果相吻合。模拟结果与实验结果表明,进出口压降与入口风速呈近似线性关系,随着入口风速的增大,进出口压降增大,入口风速不变的条件下,翅片间距越小,进出口压降越大。

6 结 论

①受壁面影响,靠近壁面处和中心处流场有较大区别;

②圆管表面压力系数受管排方式影响较小,随排数的增大而减小;

③摩擦系数随雷诺数的增加而迅速减小,后趋于稳定;雷诺数相同时,翅片间距越小,摩擦系数越大;

④进出口压降随入口风速的增大而增大,随翅片间距的减小而增大;

⑤从物理意义和实验数据两方面验证了用FLUENT模拟翅片管外流体流动的可行性和准确性,为翅片管换热器的优化和设计提供了依据。