李洪江 姜红军

摘  要：文章以数值模拟方法定量分析对螺旋翅片管开齿的影响。计算结果表明开齿螺旋翅片管的确在换热系数上具有优势，但为了保证这种优势，参数的优化很重要。

关键词：换热系数;参数优化;研究

中图分类号：TK223        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）16-0169-03

Abstract： A 3-dimensional model is simulated for slot-helix finned tube heat exchanger. Compared with the helix finned， the heat transfer is enhanced. But an optimization is needed to maintain this advantage.

Keywords： heat-transfer; optimization; research

引言

开齿螺旋翅片管在各种换热器中已经得到广泛的应用，但因为其开齿形式多种多样，换热系数和阻力的计算暂无统一的国家标准。由于模型复杂，数值模拟存在不小的难度，通常用实验的方法估计其换热系数和阻力系数[1][2]。本文尝试用数值模拟方法计算翅片换热量和阻力的可行性，通过对单根螺旋翅片管的模拟来确定开齿的定量影响。计算结果与文献[1]的实验数据比较，可得到开齿螺旋翅片管设计的原则。

1 数学物理模型

开齿螺旋翅片管模拟的难点有两个：首先是开齿部位的处理，这是堪与边界层高度相比的微细结构，对流动结构、流量又非常重要，在该处必须添加边界层;其次是翅片节距，在工厂中也取的很小，它确定了体网格也必须足够细密，以满足间隙内的网格数量要求。

用ICEM CFD划分网格如图 2，添加边界层网格以后导入fluent计算。用3个节距的翅片，为了避免在边界处出现狭长薄层，管长略长于3个节距。左边为入口，右边为出口，各个侧面为对称边界条件。翅片材料设定为壁温300k的铝，进口边界是流量11kg/（m2·s）的900k空气。

2 模型与网格

该模型的难点在于复杂边界给边界层网格划分带来困扰。从计算壁面换热的要求来看，第一层网格的y+应该在20左右。但模型中壁面各处流速差异太大，相应的y+也有极大变化范围。应此，适应壁面各处的统一边界层网格高度并不存在。

本文通过网格理论和试运算，确定边界层网格高度的下限为0.2mm，边界层低于该数值的话，计算结果迅速增大到与实际完全不符的量级。根据网格划分的一般性规律，确定上限为0.33mm。最后确定所有模型统一取0.3mm高度的第一层网格。从而在无法完全排除网格相关性的情况下求得可相互比较的模拟结果。

由于气体的流速在壁面函数中很重要，采用理想气体模型。由于各方向尺度悬殊以及流场和边界的特点，采用RNG湍流模型，其余未提及的气体参数和模型均为Fluent默认设置。

3 计算结果与分析

中间截面上的温度场可以显示出翅片对流体温度分布的总体影响，不同翅片附近温度场的差异，更是换热效率差异的原因。

3.1 不开齿螺旋翅片管

首先需对螺旋翅片管经行模拟和计算，作为评估开齿效果的基准。

空气对3个节距翅片的换热量为631.6w，翅片的平均换热系数为53.34w/m2。翅片对气流的阻力为0.0981N。

3.2 开齿螺旋翅片管

开齿以后，流动死区大大减小，虽然相比普通螺旋翅片管减小了翅片面积，但有效换热面积反而增大了。另一方面，由于开齿破环了连续的附面层，也增大了翅片附近气流的平均速度，从而增强换热。

3.3 槽深的影响

夹角和顶端半径的大小都实际影响到槽宽度大小，由这两个表可见：槽的宽度，对翅片换热的影响是决定性的。槽越宽，翅片传热能力越弱。宽度过大时，翅片的传热能力甚至不如普通螺旋翅片管。这同样意味着开齿数目的增加，可大幅改善螺旋翅片管的传热能力。

槽宽度对流动阻力的影响没有深度那么大，但其規律性明显且与上一小节相同：宽槽会带来更大的流动阻力。按照通常的开齿螺旋翅片管制造方式，槽宽度与开齿数目是密切相关的。这带来一个疑问：实际制造中，增加开齿数目，槽宽会变小。槽数增加会使阻力增大，而槽宽变小会让阻力降低，这两种对阻力相反的影响因素最终导致什么结果，实验数据可以回答这个问题。

鉴于本文的模型开齿数目不多，相对于开齿数目很多（每节距35～45个槽）的实用型开齿螺旋翅片管，Nu数的比值要低一些，这证实了上一节的结论，因为开齿数的增加和槽宽度的减小都会增强传热效率。

本文计算的Eu数比值偏大，这意味着：增加开齿数的情况下，槽宽和槽夹角的减小对阻力起到了决定性的作用，导致阻力降低。

因此，开齿螺旋翅片管的制造当中，在结构强度允许的情况下，开齿数越多，传热效率越高，阻力反而越低。

4 结论

开齿螺旋翅片管具有换热系数大的优点，可有效降低换热器重量。但槽的参数对换热系数具有重要影响，换热效率随着槽宽度的增大而显著减小，如果槽的平均宽度过大的话，该开齿螺旋翅片管换热效率甚至不如普通的不开齿螺旋翅片管。

不改变槽的平均宽度，槽深越小，换热速率越低，但在一定范围内调整槽的深度，翅片换热效率变化不明显，只是槽深过小时，翅片换热效率下降很快。

槽的宽度越大，流动阻力越大;槽的深度越大，流动阻力越大。

如何选取复杂壁面的边界层，决定了壁面换热问题的计算准确度。而这个领域的研究暂时还不能给工程问题提供简单易行的解决方案。本文的计算仅表明，经过大量试运算，可以用数值模拟对开齿参数给出有价值的指导意见，也能对不同方案进行比较和筛选。

与实验值结合，我们可以得出开齿螺旋翅片管的制造原则：开尽可能多的槽，增强换热效率并降低阻力;槽深不须过大，但不能太浅。

参考文献：

[1]刘雪玲，李宁，胡亚才.开齿螺旋翅片管换热器传热与流阻性能研究[J].石油化工设备，2004，2：1-3.

[2]王真勇，张正国，高学农.螺旋折流板三维肋翅片管换热器的传热性能研究[J].广东化工，2008，7：153-170.