顾平道 杨彦武 窦中杰 姜冠宇

（东华大学环境科学与工程学院)

平直翅片和开缝翅片换热器特性的数值模拟

顾平道*杨彦武 窦中杰 姜冠宇

（东华大学环境科学与工程学院)

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。

平直翅片 开缝翅片 数值模拟 换热器 传热性能 流动

0 引言

换热器是石油化工等工业中必不可少的工业设备，在能源紧缺的现今，其强化传热是各国研究人员为之奋斗的主要目标[1-2]。翅片管式换热器具有承受高温高压、适应性强、工作可靠、制造简单、生产成本低、选材范围广等优势，因此在能源、化工、石油等行业得到了广泛的应用[3]。翅片形状对翅片管式换热器的换热特性有很大影响，本文基于Comsol Mutiphsics模拟软件对圆管平直翅片和开缝翅片两种形式换热器进行数值模拟，通过可视化模拟结果对比两种翅片形式的空气流动传热特性。

1 模型介绍

本文所研究的翅片管式换热器如图1所示，其换热器管材为光铜管，换热片为普通铝箔平直翅片和圆环扇面开缝翅片，翅片的基本尺寸如表1所示[4]。

图1 换热器平面尺寸

表1 翅片管换热器结构尺寸

图2 圆弧开缝翅片结构

2 建立模型

Comsol Mutiphsics中有一套完整的模型建立工具，可以在0D(主要是针对解偏微分方程)、1D、1D轴对称、2D、2D轴对称、3D建立任何形状的物理模型，也可以通过其他软件建立模型 （例如Autocad、Solidworks），然后导入到Comsol中。本文所研究的模型是用Comsol自身工具建立的模型，如图3、图4所示。

图3 平直翅片最终几何模型

图4 开缝翅片最终几何模型

2.1 定义材料

Comsol中有完整的材料库，包含各个领域下或任何模块中涉及的各种材料，对于一些特殊材料用户也可以自己定义材料的属性。

模型中的材料包括三种，即空气、基管材料铜管、翅片材料铝片，直接从材料库中选取，如图5所示。

图5 定义材料

2.2 物理过程和边界条件

此过程需要定义物理过程和边界条件。首先需要定义在固体中传热、在气体中传热和初始值，然后再定义边界条件。具体的边界条件设定如下：

（1）设定空气域的进口面，如图6中的Inlet，设置速度为2 m/s。设置入口Temperature 1，进入Temperature 1选定进口面，并设定温度为定值Vin。

对此，吴努曾公开表示，“在我们国家内部有一撮机会主义小团伙，他们从来不论证事情的真相……他们把我们说成是英国人、美国人的工具，因为我们接受了英国和美国的援助。” [66]1952年7月19日，吴努在烈士节的公开讲话中表示，缅甸将请苏联和中国提供没有附加条件的经济援助。[67]因此，如能与中苏关系取得突破，获得社会主义阵营的支持、援助，无疑会帮助缅甸政府化解反对派的指责和压力。而且，加强同中苏友好往来也正是缅甸国内左派的重要主张。1952年，缅甸计划邀请周恩来总理访缅，认为周此行将不仅驳斥国内反对派指责政府是英美工具的宣传，而且会打击反政府革命武装的锐气，使叛乱者改变对政府的态度。[68]

（2）设定空气域的出口面，如图 6中的Outlet，在Outlet的功能窗口中选定空气的出口面，并设定边界条件，即出口面压力为0。

（3）设定热流的出口面，如图6中的Outflow 1，和空气的出口面相同。

（4）设定4个圆管的壁面温度。

（5）由于模拟单元为整张翅片的一个单元，在理想条件下可以设定翅片和空气上下面为对称边界条件，如图6中的Symmetry 1。

（6）由于模拟单元结构相同且重复出现，在理想条件下可以设定空气两面为周期性热边界条件和周期性速度边界条件。例如，图6中的Periodic Heat Condition 1和 Periodic Flow Condition 1。

2.3 网格剖分

本文研究的换热器翅片可以分为三部分，即空气、基管和翅片，而且研究区域的重要性由大到小为空气、翅片、基管。因为模型中存在周期性热边界条件和周期性速度边界条件，为了保证周期性边界条件的准确性，周期性面上网格剖分必须完全一样。为此，先在一个周期性面上剖分网格，如图7中的Free Triangular 1，然后再利用网格的复制功能设置另一个周期性面，这样就保证了两个面网格剖分完全一样。这两个面的属性设置在Size 1里面，属性是最大元素面积为0.5 mm，最小元素面积为0.01 mm。

图6 边界条件

图7 网格剖分

最大元素增长率为1.5，弯曲度分辨率为0.6，最窄区域的分辨率为0.5，其中弯曲度分辨率和最窄区域分辨率取值为0.1～1之间，而且越大对弯曲度和最窄区域进行剖分时，剖分越细，剖分质量越好。Free Triangular 2是对对称面进行剖分，相应的 5个属性值设置分别为 0.3、0.01、1.5、0.6、0.6。Free Tetrahedral 1是对空气域进行剖分，相应的 5个属性值设置分别为 0.4、0.01、1.6、0.7、0.8。Free Tetrahedral 2是对翅片和基管进行剖分，相应的 5个属性值设置分别为 0.45、0.01、1.6、0.8、0.7。

2.4 使用求解器计算

Comsol中有许多求解器，根据不同的物理过程或者不同的模块可以采用不同的求解器，例如稳态求解器 （分为线性和非线性）、瞬态求解器 （分为隐式方法和代数微分方程求解器）、特征值求解器 （特征频率/模态分型、正规化解）、参数求解器（线性参数求解器和非线性参数求解器）、分离式求解器。耦合传热过程主要求的是稳态时的流速分布和温度分布以及相关量，所以采用稳态求解器。

3 模拟结果及其可视化

3.1 速度场结果可视化

速度场的模拟结果如图8、图9、图10所示。

图8 开缝翅片的流速大小分布

图9 开缝翅片的流动分布

图10 平直翅片的流速大小分布

3.2 温度场结果可视化

温度场结果可视化主要是指翅片上的温度分布可视化，如图11所示。

图11 翅片上的温度分布

4 结果分析

（1）由图8和10可知，对两种翅片来说，冷却流体速度最大处均分布在流通截面最小处，且靠近铜管壁处流速最大。这是因为在流体流量不变的情况下，流体流通截面面积减小而导致速度增大。

（2）比较图8和图10可知，开缝翅片速度场分布比平直翅片速度场分布更加均匀，对于开缝翅片沿着铜管壁和铜管壁正对面翅片边界流体平均速度比平直翅片大。速度大意味着惯性力增强，黏性力减弱，而且速度大有助于冲刷边界层，减小边界层厚度，对强化换热来说是有利的。

（3）由图11可知，沿着流体流动方向，翅片的温度越来越高。也就是说，随着流体不断加热，温度越来越高，换热效果不断下降。

（4）比较图11（a）、 （b）可知，开缝翅片温度分布比平直翅片温度分布均匀，且开缝翅片表面平均温度大于平直翅片，说明开缝翅片具有更好的传热性能。

综上所述，开缝翅片比平直翅片具有更好的流动性能和传热性能。

5 结语

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。本文利用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。

[1]钱颂文，岑汉钊，江楠，等.换热器管束流体力学与传热 [M].北京：中国石化出版社， 2002.

[2]过增元，黄素逸.场协同原理与强化传热新技术 [M].北京：中国电力出版社，2004.

[3]王云龙.翅片管式换热器设计软件开发及影响参数研究 [D].大连：大连理工大学，2013.

[4]刘东昊.圆弧型开缝翅片换热器空气侧流动和传热特性的实验研究与数值模拟[D].上海：东华大学，2012.

Numerical Simulation about Features of Plain Fin and Slotted Fin Heat Exchangers

Gu Pingdao Yang Yanwu Dou Zhongjie Jiang Guanyu

As an important component in refrigeration equipments and air conditioners,the finned tube heat exchanger has many advantages,such as compact structure,simple manufacture process and a wide range of application,and its running states directly influence the properties of the whole heat transfer system.The heat transfer performance of air side and the influence of velocity and temperature field distributions on heat transfer effect are always a research focus of scholars both at home and abroad.CFD numerical simulation is carried out for the heat transfer performance between outside air and two types of fins,tube plain fin and tube slotted fin.The results show that the heat transfer effect of tube slotted fin heat exchanger is better.

Plain fin;Slotted fin;Numerical simulation;Heat exchanger;Heat transfer property;Flow

TQ 051.5

2014-02-11）

*顾平道，男，1965年生，博士，副教授。上海市，201620。