冲压交错球凸/球凹翅片的板翅式换热器通道内流动与传热特性研究

摘要

据统计在世界范围内的初级能源消费中，需要经过换热设备的能源大约在80％左右。由此可见换热设备的换热能耗对能源的整体利用率起着关键的作用。板翅式换热器因其具有紧凑的结构，较大的换热面积和较高的换热系数被广泛应用于石油化工、航空航天，机车等关系国计民生的各行各业。随着科学技术的发展，最初的平直翅片板翅式换热器已经满足不了当前各工业领域的需求。在最近这些年各国学者先后研究出锯齿形板翅式换热器，多孔形板翅式换热器，带三角翼以及其它形状的板翅式换热器，并取得了一些显著的成果。由于开缝翅片容易刮灰，为克服这一缺陷，本文在板翅式换热器翅片上冲压出球凸/球凹。强化换传热原理基于当流体流过翅片球凸/球凹时，翅片表面上的球凸/球凹能够产生纵向涡，纵向涡使得对流换热强化。
　　为了获得板翅式换热器冲压球凸/球凹翅片通道的流动与传热等特性，选取一翅片构成的周期性通道为计算区域。先对计算区域进行网格划分，采用三维无限插值网格生成技术获得较为光滑和疏密度较为合理的网格，为了避免网格数多少对数值模拟结果产生影响，对数值解的网格独立性进行了严格考核。计算区域和物理模型的控制方程经适体坐标变换形成计算空间方程，并在计算空间进行离散形成代数方程，通过迭代求解代数方程获得数值结果。论文用数值方法研究了球凸/球凹半径、截取球凸/球凹的高度、球凸/球凹横向间距、球凸/球凹纵向间距、通道高度等对传热以及流动的影响，并和平直翅片通道的传热和流动特性进行对比。
　　研究结果表明：翅片面上的球凸/球凹能产生纵向涡，该涡使翅片表面对流换热能力得到显著的提高。在相同的雷诺数Re下，冲压有球凸/球凹翅片通道的平均努塞尔数要比平直翅片通道高47%~108%，但同时冲压有球凸/球凹翅片通道的阻力系数也要比平直翅片通道高69%~140%，且球凹处会出现回流现象，使得球凹处对流换热能力较低。此外，球凸/球凹的半径，截取球凸/球凹高度 S0，矩形通道的高H以及矩形通道的高l对矩形通道的对流换热以及流体的流动有着重要影响。