双开缝翅片空气侧换热和流动特性的数值模拟

利用数值耦合传热计算方法研究了四排管双开缝翅片管式换热器的传热特性和阻力特性,获得翅片附近空气的速度场和温度场,分析了开缝对翅片管换热器换热性能的影响。并针对翅片间距和开缝高度对翅片管换热性能的影响进行了数值模拟分析,得到了开缝高度和翅片间距针对换热系数的最佳组合。     

纵翅片结构形式对管换热器性能的影响

提出了一种可改善换热效率的百叶窗式纵翅片换热管的结构模型,对其进行简化,采用Fluent软件对换热管烟气侧流动与传热过程进行数值模拟,对比了两种百叶窗纵翅片与普通纵翅片的换热效率与压降,结果发现：百叶窗式纵翅片传热效果比普通纵翅片高130%以上。模拟了6组不同流体入口速度下传热与压降的变化情况,分析了百叶窗翅片间距与倾斜角度对传热与压降的影响,结果表明：入口速度越大,进出口温差越小,压降越大;翅片间距越大,进出口温差和压降都越小;翅片倾斜角度越大,换热效果相差不大,压降越大。搭建了简易实验平台对模拟结果进行验证。     

平直开缝翅片和波纹翅片管换热器换热特性的数值模拟

采用FLUENT数值模拟方法,研究了平直翅片、平直开缝翅片、正弦波纹翅片和均匀倾角波纹翅片4种形式的翅片管换热器的空气侧流动和传热特性。分析出2种不同的波纹形式以及翅片开缝对翅片管换热器换热特性的影响。改变进口风速,在不同雷诺数的工况下,得到4种换热器的换热量Q、努塞尔数Nu、压降△P以及阻力因子f等与进口风速u和雷诺数Re的关系。结果表明进口风速增大,雷诺数增加,可显著提高换热器换热量,然而同样带来更多的阻力损失。翅片开缝对传热能力有明显的提升作用,波纹翅片在提高换热效率的同时阻力损失增加较小。     

析湿工况下平直开缝翅片传热传质特性的数值研究

针对现有冷凝模型计算中未考虑对流传质对传质通量的影响,利用Fluent软件中的UDF建立了新的对流冷凝传热模型和基于场协同理论的传热传质特性分析方法。使用新的冷凝模型和分析方法对除湿条件下,入口参数、翅片结构、开缝位置对平直开缝翅片换热器湿空气侧的流动、传热和传质特性的影响进行了研究。结果表明：考虑对流传质的冷凝模型准确度得到提升;传热量、冷凝量随翅片表面开缝高度的增加先减小后增加;上游开缝翅片管的传热量、冷凝量均低于下游开缝翅片管,利用建立的分析方法发现,相同边界条件下,下游开缝翅片的传热场协同角α_m、传质场协同角β_m均小于上游开缝翅片,表明下游开缝翅片的速度场、温度梯度场和浓度梯度场的协同性更优,传热传质能力更强。     

平直翅片和开缝翅片换热器特性的数值模拟

翅片管式换热器作为制冷和空调装备中的一种重要设备,具有结构紧凑、制造简单、适用范围广等特点,它的运行状况直接关系到整个换热系统性能的优劣。翅片管式换热器空气侧传热性能以及速度场、温度场分布对换热效果的影响一直是国内外学者研究的重点。利用CFD技术对圆管平直翅片和圆管开缝翅片换热器两种形式下外部空气与翅片的换热效果进行了数值模拟。结果表明,圆管开缝翅片换热器的换热效果更好。     

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距Pf和开缝高度Sh的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明:当Re7200时,增大Pf会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当Re7200时,减小Pf会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着Sh的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,Pf越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在Re=2734~6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。     

二种开缝翅片特性的试验及数值模拟比较研究

为了强化空冷器的换热性能,利用红外热像仪和Fluent软件等对增压空冷器空气侧的X型及圆环扇面型2种4排开缝翅片的传热和阻力性能进行了试验和数值模拟研究,在试验的Re数范围内得出了传热和阻力的特性曲线,并通过模拟得出了气流在2片翅片间的温度场、流场以及阻力和换热特性曲线在试验Re数范围内的对比。结果表明,数值模拟与试验值基本吻合,X型开缝翅片的传热性能不仅高于圆环扇面型开缝翅片,同时X型的压力损失还小于圆环扇面型开缝翅片。     

翅片结构对双向开缝翅片管换热器性能的影响

为了获得翅片结构对双向开缝翅片管换热器传热与阻力性能的影响规律,对不同翅片间距P_f和开缝高度S_h的双向开缝翅片管换热器进行了数值模拟,并对数值模拟结果进行了模化试验验证。结果表明：当R_e<7200时,增大P_f会提高双向开缝翅片管换热器的传热与阻力性能;当R_e>7200时,减小P_f会提高其传热性能,降低其阻力性能;随着S_h的增加,双向开缝翅片管换热器的传热性能先降低后提高,阻力性能先提高后降低;对于不同翅片结构的5种双向开缝翅片管换热器,P_f越大,综合流动传热性能越高,但实际换热面积会减小,需综合考虑;在R_e=2734~6712范围内数值模拟与试验结果吻合较好,数值模拟能较准确地反映双向开缝翅片管换热器的传热与阻力特性。研究成果可为双向开缝翅片管换热器的结构与性能优化提供依据。     

圆弧型与X型开缝翅片空气侧流动与传热特性可视化试验

利用粒子图像测速(PIV,particle image velocimetry）技术和红外热成像技术对增压空冷器空气侧的4排叉排圆弧型和X型开缝翅片的流动和传热特性进行了可视化试验研究。在试验的Reynolds数范围内,得到了阻力和换热特性曲线以及能反映流动和传热细节的流场和温度场。试验结果表明：X型开缝翅片的波动强度、流动阻力大于圆弧型开缝翅片,但前者的换热性能和场协同性优于后者。提出的新概念波动强度是表征翅片结构对流场扰动程度的物理量,波动强度越大,流场内的速度梯度、涡量强度越大,翅片结构对流场的扰动越大。可视化的试验结果为后续的数值模拟和翅片结构优化设计提供了可靠的试验依据。     

圆弧形组合开缝翅片三维数值模拟

用数值模拟的方法对翅片管换热器中一种新型圆弧形组合翅片的传热特性进行了数值模拟,结果表明:在翅片后半部开缝与在翅片前半部开缝相比,换热性能增加7%左右,但阻力降不明显。     

翅片板式传热器双流道传热与流动数值模拟

焊接型板式传热器的紧凑性好、质量轻、传热性能好、初始成本低等优越性已越来越被人们所认识,因此人们纷纷对板式传热器内流动状态和传热机理展开研究。鉴于此,本文运用数值模拟软件Fluent对全焊接翅片板式传热器双流道进行模拟,在此基础上又进行了实验研究及实验数据与数值模拟的对比分析,得出不同结构参数和操作参数下翅片的传热系数和压力降,并分析翅片高度和翅片间距对翅片传热性能与流动阻力的影响。结果表明：①固定冷侧的入口速度和温度,热侧的传热系数和压降随之热侧入口速度增加而增大;②板间距一定时,翅片高度并非越高传热性能越好;③翅片间距越小,传热性能越好。     

板翅式换热器导流片结构的数值模拟

A fluid flow model of distributor was set up to investigate the effectof distributor configuration on the fluid flow distribution in plate- fin heat exchanger. At the same time, a mathematical equation was developed to generate different types of fluid flow maldistribution models considering the possible deviations in fluid flow. Using these fluid flow models, the fluid flow distributions in plate- fin beat exchanger were calculated for different configurations and operating conditions. The computational results show that nonuniform inlet velocity, inlet angle, and orifice diameter on the fin are the main factors affecting the distribution performance of distributor. The fluid flow distribution in plate- fin heat exchanger can be effectively improved by changing the distributor configuration. The distributor reaches the best distribution performance when the orifice diameter is 2 mm. The computational results are in good agreement with experimental ones.     

板翅式换热器平直翅片表面流动及传热特性

为了提高板翅式换热器的换热性能,采用CFD数值模拟方法,研究了翅片结构参数和入口Re数对板翅式换热器平直翅片的表面传热与流动阻力特性的影响。研究结果表明:当流体被加热时,翅片通道内部靠近固体壁面的流体温度较高,通道中心主流体区温度较低。流体在翅片通道内的温度分布呈一定梯度,靠近一次表面的流体温度梯度较大,而靠近二次表面的流体温度梯度较小。随着翅片高度和翅片间距的增加,平直翅片的表面传热因子和摩擦因子增大。而且,增加翅片的厚度,可在一定程度提高其换热性能,但翅片厚度存在一个最优值。研究结果可为板翅式换热器的优化设计提供理论指导。     

U型管式换热器进口截面流场数值模拟

建立了U型管式换热器进口截面的三维稳态流动数学模型,求得了U型管式换热器内部的压力场、速度场和温度场分布;在此基础上对U型管式换热器内部的温度场、压力场和速度场进行了讨论。研究结果表明,一方面,增大U型管式换热器进口热流体速度,可以增加U型管式换热器的换热量,增大出口截面的速度,增大内部压强,提高内部温度;另一方面,运行时间越长,U型管式换热器内部温度越低、出口截面速度越大,总传热率越低,压力损失先减小后趋于稳定;同时,离U型管换热器越近的外导流筒冲刷腐蚀越严重。     

三角形纵向涡在管翅式换热器的应用及优化

纵向涡能够在增加管翅式换热器换热系数,同时较小幅度地增加其流动阻力。本文通过对4种结构的翅片(未进行任何处理的平翅片,结构为高为H3/6、H4/6、H5/6且攻角为30°长高比为2)进行数值模拟。结果显示安装纵向涡发生器的翅片的传热系数明显增强,且最高增加49%。在换热系数增加的同时阻力系数j也有明显的增加。其中安装纵向涡H5/6型翅片的阻力因子增加最小与平翅片几乎相同。最后本文通过对综合评价因子j/f的比较得知安装H5/6型纵向涡翅片具有最好的综合效果。     

CFD Simulation of Flow Distribution in the Header of Plate‐Fin Heat Exchangers

The flow distribution through a plate‐fin heat exchanger is studied by using a computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT. The flow distribution through any heat exchanger affects its performance. In designing a heat exchanger, it is assumed that the fluid is uniformly distributed through the heat exchanger core. In practice, however, it is impossible to distribute fluid uniformly, because of an improper inlet configuration, imperfect design, and a complex heat transfer process. The CFD simulation of the flow distribution in the header of a conventional plate‐fin heat exchanger is presented. It is found that the flow maldistribution is very serious in the y‐direction of the header. A modified header is proposed and simulated using CFD. The modified header configuration has a more uniform flow distribution than the conventional header configuration. Hence, the efficiency of the modified heat exchanger is seen to be higher than that of the conventional heat exchanger.     

一种扁管管翅式换热器的高效数值设计方法

传统的数值模拟方法计算量大,计算时间长,很难满足现代工业发展的需求。以扁管管翅式换热器为例,采用适体坐标与最佳正交分解（POD）相结合的方法构建了低阶模型,在等热流边界条件下对扁管管翅式换热器中流动与传热过程进行计算,并将POD计算结果与有限体积法（FVM）计算结果进行了对比。结果表明：POD方法能准确地捕捉到不同数量参数变化情况下的温度场及速度场信息。对于3变量工况重构速度场及温度场的相对偏差平均值的最大值分别为1.90%、0.308%。采用POD方法在保证计算精度的前提下将FVM计算速度最大能提高3093.4倍。研究对于提高扁管管翅式换热器数值设计效率、拓展POD方法的工程应用领域有一定的理论参考价值。     

三维管烟气换热器传热特性的实验及模拟研究

通过实验对三维管换热元件与传统H型鳍片管进行测试,研究其传热特性. 结果表明,三维管换热器的总换热系数是H型鳍片管换热器的2?3倍,采用错列布置换热管比顺列布置换热管的阻力大. 修正的气侧对流换热系数关联式更符合实际,计算结果比原式提高约26%,FLUENT软件能很好模拟三维管换热器的实际情况,模拟结果误差较小.