肋片焊接方式对其传热的影响

张 旭，赵浩亮，杨 瑞，车昆明

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

在工程实际中，为了提高材料吸收室内热量的能力，在天花板内表面上安装了碳钢材料的散热片，即肋片.肋片，又称翅片，是指依附于基础面上的扩展表面，旨在材料消耗量增加较少的条件下，较多地增大换热面积，增强传热效果.

研究表明，将肋片加入围护结构可以有效地加强围护结构与空气的换热，增加围护结构的蓄热量［1］.通常情况下肋片是直接焊接在肋基上的，这样会造成肋片底部和肋基之间不完全接触，从而产生接触热阻，以及焊接材料也直接参与换热.

目前国内对肋片传热研究的专家、学者很多，其中中国空间技术研究院任德鹏等人研究了肋片高度、肋片数、肋片厚度及管壁温度对肋片散热性能的影响；大连理工大学邱庆刚等人，分析了肋片几何形状对仿螺旋肋片内冷通道流动与换热的影响；上海理工大学周骞等人研究了肋片间距对环形通道流动和换热的影响；杨立分析了接触热阻对环肋稳态换热的影响.而对于肋片焊接尺寸以及焊接形状对焊接后整个肋片的换热量和换热系数的影响却未见有文献报道.因此，本文对该问题的研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有较强的现实意义.

1 对象描述

通过对铸造肋片和焊接肋片传热过程的模拟，得到焊接施工对整个肋片的换热影响.

研究对象为肋片，肋片高度为228.6mm，肋基长228.6mm，厚度为12.5mm，钢板用剪力钉固定在混凝土墙上，如图1所示.根据焊接工艺，焊接肋片时在焊接处一般会形成两种焊接接头，即T形接头和角接接头［2］.

图1 肋片铸造示意图Fig.1 Schematic of molten fins

本研究的肋片焊接采用角焊接（焊接方式一）和T型焊接（焊接方式二）两种方式，其焊接示意图如图2，3所示.

图2 肋片焊接方式一（角焊接）示意图Fig.2 Schematic of the first method of welded fins－fillet welds

图3 肋片焊接方式二（T型焊接）示意图Fig.3 Schematic of the second method of welded fins－T－joint fillet welds

由于焊接过程中肋片和肋基有部分并不是完全接触，中间存在接触热阻，本文将这部分看成是一块特殊材料.底板材料和肋片材料皆是不锈钢板，不锈钢与不锈钢的接触热阻范围是（2.2～5.88）×10－4m2·K·W－1，本研究选择其最不利情况，即肋片与钢板的接触热阻为5.88×10－4m2·K·W－1的情况，进而求解得出焊接处特殊材料的导热系数.

材料参数如表1.

表1 材料参数表Tab.1 Material Parameters

2 理论基础

根据肋片的蓄、放热性，表面传递的热量记为Q，其理论基础为对流换热基本方程［3－4］：

式中：h为对流换热系数；tn为肋片周围的流体温度；t为不锈钢的壁面温度；p为肋片与周围流体接触的周长；dx为所截取微元面的宽度.

通过CFD数值模拟，得出其对流换热量和传热的平均温度，然后通过计算得出对流换热系数.

3 模拟工况设置

根据传热学原理简化问题，假设如下：

（1）材料的导热系数λ、对流换热系数h以及沿肋高方向的横截面积Ac均各自为常数；

（2）肋片温度在垂直于纸面方向（即长度方向）不发生变化，取一个截面（即单位长度）来分析肋片沿长度方向的温度变化.

由于该模型周围气流速度较慢且周围环境参数稳定，所以模型采用稳态、层流的计算模型；采用第三类边界条件，底边温度设置为20℃，环境温度为30℃，肋片、电焊材料以及底板上边暴露在空气中，直接与空气对流换热.

工况设置如表2所示.

表2 模拟工况设置表Tab.2 Table of simulation conditions setting

4 数值模拟结果及分析

根据模拟结果分析可知焊接处的温度变化并不显著，温度变化不显著的原因跟其材料的导热系数和与空气的对流换热系数大小有关.导热系数是对流换热系数的8倍左右，数值模拟时设置的底板下表面温度是20℃，底板厚度仅有12.5mm，所以才导致模拟底板温度变化不大.另外由于焊接处存在一定的热阻以及与高温空气有较大的接触面积，从而导致远离肋基处的肋片温度较肋基和焊接处高.

计算结果如表3所示.

表3 焊接方式一的计算结果表Tab.3 Calculation result table of the first welding method

图4 焊接方式一换热量变化量Fig.4 Heat change of the first welding method

图5 焊接方式一对流换热系数变化量Fig.5 Convective heat transfer coefficient change of the first welding method

图6 焊接方式二换热量变化量Fig.6 Heat change of the second welding method

图7 焊接方式二对流换热系数变化量Fig.7 Convective heat transfer coefficient change of the second welding method

表4 焊接方式二的计算结果表Tab.4 Calculation result table of the second welding method

从表3，4可以得出，肋片焊接之后，对其对流换热量和换热系数有一定的影响，但影响较小.对流换热量随焊接尺寸的变化而变化，先减小后增大.对于焊接方式一，变化最大的是2L＝0.6H工况，换热量减小2.79%，变化最小的是2L＝2H工况，相差仅0.88%；对于焊接方式二，变化最大的是2L＝0.5H工况，换热量减小3.26%，变化最小的是2L＝2H工况，相差仅0.28%.对流换热系数呈波浪形变化，但有减小的趋势.

5 结果与讨论

本文在前人的基础上建立针对肋片传热的控制方程，然后建立2种不同焊接方式的物理模型，并对其进行数值模拟，根据数据模拟的结果分析得出以下结论：

（1）肋片焊接之后，对其对流换热量和换热系数有一定的影响，但影响较小.

（2）根据焊接尺寸的变化，两种焊接方式的换热量呈“V”型变化，先减小后增大.对于焊接方式一，变化最大的是2L＝0.6H工况，换热量减小2.79%，变化最小的是2L＝2H工况，相差仅0.88%；对于焊接方式二，变化最大的是2L＝0.5H工况，换热量减小3.26%，变化最小的是2L＝2H工况，相差仅0.28%.

（3）根据焊接尺寸的变化，两种焊接方式的对流换热系数呈波浪形变化，但有减小的趋势.

［1］张彦，鲍谦，曾彪，等.钢筋混凝土试块蓄热实验研究［J］.暖通空调，2012，42（6）：114－118.ZHANG Yan，BAO Qian，ZENG Biao，et al.Thermal storage experiment of reinforced concrete specimens［J］.Journal of HV ＆ AC，2012，42（6）：114－118.

［2］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国家标准化管理委员会.GB／T 19867.1—2005电弧焊焊接工艺规程［S］.北京：中国标准出版社，2005.AQSIQ，SAC.GB／T 19867.1－2005Welding procedure specification for arc welding［S］.Beijing：China Standards Press，2005.

［3］章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学［M］.第5版.北京：中国建筑工业出版社，2008.ZHANG Ximin，REN Zepei，MEI Feiming.Heat transfer theory［M］.5thed.Beijing：China Construction Industry Press，2008.

［4］贾力，方肇洪，钱兴华.高等传热学［M］.北京：高等教育出版社，2007.JIA Li，FANG Zhaohong，QIAN Xinghua.Advanced heat transfer［M］.Beijing：Higher Education Press，2007.