三维矩形外肋管流动传热特性数值模拟

王小雨，杜一恒

(江汉大学 化学与环境工程学院，湖北 武汉 430056)

换热器，又称热交换器，在化工工程及能源工程等领域不换热器亦可以称为热交换器，在化学，石油，电力，食品和许多其他工业产品中热交换器起着十分重要的作用[1]。

管式换热器[2]中有一种带翅的的换热器，亦称为肋片式换热器，在动力，化工，制冷等工业中肋片式换热器具有广泛的应用[3]。肋片式换热器可以只有一个肋片管组成，也可以有两个或者三个以上的肋片管组成，例如在室内进行取暖用途时所使用的肋片式散热器，同样的也可以配以外壳，风机等组成空冷型的热交换器。

肋片式换热器中主要强化换热的部位是换热管，换热管为肋片搭配基础管，基管的类型主要有三种，圆管、扁平管和椭圆管[4]。其中圆管是市场上常见的基管。肋片管通过管道内的冷热流体与管外的换热介质进行换热，两者之间通过肋片及管壁进行一个热量的交换，由于肋片的存在，相比较于传统的换热管增加了换热面积，也在一定程度上增加了热阻，不过在总体上改善了换热。肋片类型繁多，其中矩形肋片管换热效率较高，流动阻力也更小。基于此，本文利用流体分析软件Fluent研究了三维矩形外肋管的流动传热特性。主要探讨了矩形外肋管的肋片结构对换热性能影响较大，通过改变矩形外肋管的肋片数量和高度来研究换热系数和压降的变化。

1 矩形外肋管的模型建立

矩形外肋管建模参数如表1所示，在Gambit中的三维建模图形见图1。在此次Fluent数值模拟中，矩形外肋管的肋片和管材料为铝，铝的物理密度较小，比热容相对优异。

表1 建模参数

图1 矩形外肋管三维模型

1-空气流体域，2-矩形外肋管

三维矩形外肋管的计算流体域如图2所示，通过在矩形外肋管外增加一个圆筒来确定空气的流体域，矩形外肋管和圆筒的中心线重合，长度为1 m，圆筒直径设定为250 mm，内管外径为50 mm，内管壁厚和矩形肋片壁厚均为3 mm。设定矩形外肋管外侧为常温空气，本文主要探讨管外肋片的换热特性，因此换热管可设为固定壁面温度。因为铝的物理密度较小，导热条件相对优异，因此矩形外肋管的肋片和圆形基管材料定为铝。

矩形肋片外肋管的结构对换热性能的影响较大，因此本文将着重探讨肋片的高度和数量对换热性能的影响，肋片数量依次为4、8、12和16，肋片高度依次为10、20、30和40 mm，通过肋片数量和高度两两组合，产生16组工况。

为了便于模型的建立和计算，做出以下简化：流体为不可压缩的牛顿流体且各向同性，模拟的换热过程为稳态对流换热，没相变流体，矩形外肋管外的空气流速与矩形肋片平行，圆筒壁为绝热壁面，与外界不交换热量。

2 计算结果与分析

因工况较多，各工况的温度云图和速度云图不再一一给出，研究肋片高度时仅给出最低高度10 mm和最高高度40 mm两种情况的云图，研究肋片数量时仅给出肋片数量为4和16两种情况的云图。在模拟过程发现空气流过区域的压降损失较小，可忽略，因此文中不再探讨压降影响。

2.1 矩形外肋片的高度对换热性能的影响

其它条件不变，单独改变矩形外肋片的高度观察换热性能的变化。肋片高度为10 mm和40 mm下的速度分布图和温度分布图如图3和图4所示。

图3 矩形肋片高度为10，40 mm时速度分云图

图4 矩形肋片高度为10，40 mm时的温度云图

在图中可以看出，随着肋片数量的增加，速度稳定区域得到增加，相应的速度最大值在矩形肋片增大的时候一样增大；在肋片高度增加的时候，空气流体区域的较高速度的区域减少，换热区域增大，矩形外肋管对空气流体区域的影响增大，从而使得换热增强。肋片上的温度由于温差不大，从而显示不明显；但仍可看出随着肋片高度的增大，换热区域增大(图中红色区域)，出口温度由333.3K升到382.7K，换热效果增强。在计算力允许的情况下，加长换热管的长度，将会看到更明显的变化趋势。

2.2 矩形外肋片的数量对换热性能的影响

矩形外肋片在管外以肋片间距均匀划分。肋片数量为4和16时的矩形外肋管的速度云图和温度云图如图5和图6所示。

图5 矩形肋片数量为4，16时的速度云图

图6 矩形肋片数量为4，16时的温度云图

由图可以观察出，随着肋片的数量增加，肋片之间的间距减小，稳定流动的区域增加，速度场的较高速度区域减少，换热空间增加使得换热增加。随着矩形肋片的数量增多，换热效果增强，这是因为在矩形肋片的增加下，换热面积得到增加，增加空气流动稳定，再加上空气的流动方向与肋片的方向相互平行，使得空气压降非常小，使得换热效果在由4肋片到16肋片增加的过程中处于一直增加的状态。

2.3 矩形外肋管的肋片数量和高度对换热系数的综合影响

不同肋高下的矩形外肋管的外侧空气流体域的换热系数变化见图7。从图中，我们可以看到，在外侧空气流体域速度不变的情况下，随着肋片的高度不断的增加，矩形肋片的数量不同，对换热系数产生了比较大的影响。在肋片高度为20，30，40 mm的三组里面，三组的换热效率增加曲线是类似的，换热系数的变化幅度不大，可以预测仅仅增加肋片的数量是没有意义的一件事。在肋片数量为4的时候，肋片高为10 mm换热系数最低，肋片高为20 mm的时候换热系数为四种肋片高度里面最高的一组；在肋片数量为8的时候，肋片高为10 mm不再是最低，最低的是肋片高度为40 mm，换热系数最高的一组依然为20 mm。接着，在肋片数量为12的时候，肋片高度为10 mm的换热系数开始与肋片高度为20 mm的换热系数相互接近，此时肋片高度为20 mm的换热系数依然最高。最后当肋片的数量为16的时候，换热系数最高的一组为肋片高度为10 mm的一组，在肋片数量为16的一组，发现再随着肋片高度的增加，换热系数出现了下降的趋势。之所出现这样的，原因在于肋片数量的增加和高度的增加，使得肋片换热热阻已经增加过多，这不仅仅是造成效率下降，在实际的过程之中，也是对资源的浪费和能源的浪费。从图7中还可以看出，肋片高度为20 mm时，总的换热效果优于其它高度；肋片高度为10 mm时，随着肋片数量的增加，换热系数的变化最大，当肋片数量达到16时，换热系数最大，但这样加工成本增加较大。因此，经对比研究，较优的一组工况是肋片高度为10 mm，肋片数量为16。

图7 矩形肋片参数发生变化时的换热效率

3 结论

本文使用的是Fluent软件，利用Gambit进行建模和网格划分，通过改变矩形翅片的高度和数量，对矩形外肋管进行数值模拟分析，得出以下结论：

(1)肋片的数量保持不变时，只改变肋片的高度下，可能会导致换热效率下降，在实际的操作过程中，肋片高度与肋片的数量需要进一步的研究。

(2)肋片高度保持不变的情况下，肋片数量的增加可以使得矩形外肋管的换热效率得到提高，但是在一定数量之后就会使得效率提高不尽人意，在实际的使用过程还会造成资源的浪费。

(3)肋片的高度和数量存在一个较优的配比，本文中肋片高度为10 mm，肋片数量为16时，换热效率最大。后续工作在计算力允许的情况下可以增加矩形外肋管的长度，改变空气的流速和翅片的厚度，进一步的研究矩形肋片传热特性。