摘　要：介绍均匀倾角波纹翅片管、倾角渐增波纹翅片管的结构。采用FLUENT软件，对两种波纹翅片管空气流道中心面上的温度场、压力场、换热量、阻力进行了数值模拟。

关键词：波纹翅片管换热器  均匀倾角波纹翅片  倾角渐增波纹翅片

Numerical Simulation of Flow Field and Heat Exchange Amount on Air Side of CORRUGATED Fin Tube Heat Exchanger

Abstract：The structures of uniform inclination corrugated fin and increasing inclination corrugated fin are introduced．The numerical simulation of temperature field，pressure field，heat exchange amount and resistance in the center of air passage for two kinds of corrugated fin tubes is performed by FLUENT software．

Key words：corrugated fin tube heat exchanger；uniform inclination corrugated fin；increasing inclination corrugated fin

1　概述

波纹翅片管换热器具有结构简单、加工容易、适应性强等优点，广泛应用于动力、化工、石油、航空航天、空调及制冷工程等领域。因此对波纹翅片管换热器的结构进行优化设计有着十分重要的意义^[1]。

目前，国内外学者对提高波纹翅片管换热器换热性能的方法进行了数值模拟研究。谢春晖等人^[2]的研究表明，正弦波纹翅片的平均表面传热系数比平板翅片增大26％左右，传热量增大47％左右。司子辉等人^[3]分别研究了波纹三对称穿孔翅片管、常规波纹翅片管的表面流动性与换热特性，研究表明前者的表面传热系数比后者高20％～28％。E．M．Sparrow等人^[4]的研究表明，波纹翅片高度等几何尺寸在一定程度上决定了波纹翅片表面传热系数。本文对均匀倾角波纹翅片管、倾角渐增波纹翅片管空气侧流场与换热量进行数值模拟。

2　波纹翅片管结构及物理模型

波纹翅片管换热器整体结构见图l，图中尺寸的单位为mm，换热管长度为200mm。均匀倾角、倾角渐增波纹翅片管的结构分别见图2、3。

两种波纹翅片管的换热管均采用叉排方式，换热管为竖直摆放。对于均匀倾角波纹翅片管，翅片倾角q保持不变，为21.8°。对于倾角渐增波纹翅片管，翅片倾角由l6.7°增至35.0°，各翅片倾角为q1=16.7°，q2=21.8°，q3=26.57°，q4=30.96°，q5=35.0°。。两种波纹翅片管的通用结构参数见表l。换热管的排列具有规律性，因此选取一个具有代表性的波纹翅片管单元(见图l中红色虚线框)与波纹翅片管单元上下空气通道为物理模型，空气从左侧掠过物理模型，波纹翅片管单元长×宽为40mm×26mm。

3　数值模拟方法

数值模拟基于以下设定^[2，5]：辐射换热忽略不计；翅片厚度与截面积不变，翅片厚度相对于波纹高度较小，可将翅片厚度方向温度视为相等；忽略翅片与换热管外壁面的接触热阻，认为翅片根部温度与换热管外壁面温度相同。

入口压力初始条件为常压。波纹翅片管物理模型的流动与换热控制方程采用连续性方程、动量方程、能量方程^[6]。应用Gambit软件，将物理模型网格化，建立热边界、混合边界。将网格化物理模型转换成MSH文件后，导入FLUENT软件，采用3D标准k-e占湍流计算模型，动量方程、能量方程采用二阶迎风差分格式，压力一速度耦合采用SIMPLE方法，得到两种波纹翅片管空气流道中心面上的温度场、压力场。

空气进口速度变化范围为1～5m／s，出口压力初始条件为常压。进口空气温度为310 K，换热管壁温度恒定为330 K。波纹翅片管两侧空气流道为对称边界条件。

4　计算结果及分析

①温度场

空气进口速度为4m／s时，两种波纹翅片管空气通道中心面的温度场分别见图4、5。由图4、5可知，两种波纹翅片管的温度分布都很紊乱且成狭长带状。在迎风侧，倾角渐增波纹翅片管空气通道中心面空气温度上升得较快，且出口温度高于均匀倾角波纹翅片管。这是由于倾角渐增波纹翅片结构加强了气流扰动，从而强化了换热。两种波纹翅片管的共同点是：在迎风侧，温度场分布稠密，温度上升较快，换热较强烈；在背风侧，温度场分布稀疏，温度变化较小，换热较平缓。

②压力场

空气进口速度为4m／s时，两种波纹翅片管空气通道中心面的压力(表压)场分别见图6、7，图中数值单位为Pa。由图6、7可知，两种波纹翅片管的压力分布均比较紊乱。倾角渐增波纹翅片管空气通道中心面的压力降要大于均匀倾角波纹翅片管，且随着翅片倾角的增大，等压线分布更加稠密。原因是倾角渐增波纹翅片结构对流体的阻滞和扰动作用都较大，阻力比均匀倾角波纹翅片管大。

③换热量及阻力

两种波纹翅片管的换热量随空气进口速度的变化见图8。由图8可知，两种波纹翅片管的换热量随空气进口速度的增大而增加，换热量与空气进口速度近似为线性关系。在相同工况下，倾角渐增波纹翅片管的换热效果优于均匀倾角波纹翅片管。

两种波纹翅片管的阻力随空气进口速度的变化见图9。由图9可知，两种波纹翅片管的阻力随空气进口速度的增大而增大，阻力与空气进口速度近似为指数关系。在相同工况下，倾角渐增波纹翅片的阻力大于均匀倾角波纹翅片管。

5　结论

①在相同工况下，倾角渐增波纹翅片管的换热效果优于均匀倾角波纹翅片管，但前者的阻力大于后者。

②增大空气进口速度可以提高波纹翅片管的换热量，但阻力也随之增大，应根据允许的空气压力降选择合适的空气进口速度。

③当波纹翅片管换热器的体积受到限制，而又要求有较高的换热量时，倾角渐增波纹翅片管换热器具有很大的优势。

参考文献：

[1]李祺，孙铁，张素香，等．热管倾斜波纹翅片强化传热三维数值模拟与分析[J]．当代化工，2011，40(8)：862-865．

[2]谢春晖，简弃非．冷凝器翅片表面流体流动及换热过程的三维数值模拟[J]．制冷与空调，2005(5)：l7-20．

[3]司子辉，张燕，康一亭，等．翅片管式换热器的数值模拟与优化[J]．化工进展，2010(增刊2)：82-86．

[4]SPARROW E M，LARSON E D．Heat transfer from pinfins situated in an oncoming longitudinal flow which turns to cross flow[J]．Heat Mass Transf．，l982(25)：603-614．

[5]周俊杰，徐国权，张华俊．FLUENT工程技术与实例分析[M]．北京：中国水利水电出版社，2010：222-244．

[6]陶文铨．传热与流动问题的多尺度数值模拟：方法与应用[M]．北京：科学出版社，2009：465-563．

本文作者：王洪林  刘凤国  秦  萌

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院

  天津城市建设学院能源与安全工程学院