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1、正弦翅片换热器管外三维流动与数值模拟第1页，共15页，编辑于2022年，星期六第1页问题描述管翅式换热器主要由传热管和翅片组成，通常外部流体介质为空气。翅片与传热管间是钎焊连接，可以看作管道表面的延伸。翅片的形式有很多种，比如平直式、波纹式、百叶窗式及渐变倾角式等。本文将对正弦波纹翅片换热器进行数值模拟。换热器示意图计算区域侧面示意图计算区域轴测图第2页，共15页，编辑于2022年，星期六正弦波纹翅片管换热器尺寸正弦波纹翅片管换热器尺寸第2页管子排距22mm翅片间距2.215mm孔距25.4mm正弦波高1.13mm圆管直径9.52mm正弦波纹翅片换热器尺寸：正弦波纹翅片换热器尺寸：计算模型主视
2、图计算模型俯视图第3页，共15页，编辑于2022年，星期六第3页正弦波纹翅片管换热器边界条件正弦波纹翅片管换热器边界条件名称条件名称条件入口流体空气入口温度300k入口速度1.5m/s换热管温度313k翅片材料铝模拟均匀倾角波纹翅片换热器边界条件：模拟均匀倾角波纹翅片换热器边界条件：基本假设：基本假设：辐射换热忽略不计；不考虑换热管轴向的传热、换热管排间的逆向导热影响，只考虑与换热管垂 直方向上通过翅片的换热；低雷诺数下，认为空气是不可压缩流体；翅片沿换热管方向均匀分布；翅片导热系数无限大，即翅片效率为1；空气进口速度、温度恒定；忽略翅片与管子外壁面的接触热阻，与管子温度相同；翅片端部绝热第4
3、页，共15页，编辑于2022年，星期六第4页建立模型在在Solidworks里建立翅片模型，然后导入到里建立翅片模型，然后导入到Gambit,通过通过Sweep face,拉伸出流拉伸出流体模型。如下图所示：体模型。如下图所示：第5页，共15页，编辑于2022年，星期六第7页设定边界条件边界条件设定：边界条件设定：NameTypeInletVELOCITY_INLEToutletOUTFLOWSymmetry1SYMMETRYSymmetry2SYMMETRYperiodicPERIODICWall-fluidWALLWall-solidWALLSpecify Boundary TypesNa
4、meTypesolidSOLIDfluidFLUIDSpecify Continuum Types第6页，共15页，编辑于2022年，星期六第8页网格划分网格划分网格划分：名称ElementsTypeInterval size流体区域Tet/HybridTGrid0.4翅片Tet/HybridTGrid0.2为了保证网格质量，将模型进行分块划分网格，与换热管无接触的即规则体网格质量检查：基本合格网格数：424227导出mash文件第7页，共15页，编辑于2022年，星期六第9页Fluent设置 fluent设置：设置：检查网格 DisplayCheck 最小体积不能为负值设置单位 Displa
5、yScale 本例以毫米为单位 显示网格 DisplayGrid第8页，共15页，编辑于2022年，星期六第10页FluentFluent设置设置设置能量方程 Display-Models-Energy选中 Energy Equation设置操作环境本例不考虑重力影响，保持默认设置流体物理属性本文设置流体空气，固体为铝，属性保持默认即可第9页，共15页，编辑于2022年，星期六第11页FluentFluent设置设置设置边界条件需要对流体、入口、出口、周期性边界、对称性边界、固壁和连续区域类型中的翅片和管壁按照前面的给定条件一一设定求解参数设置选择simple方法，二阶迎风格式打开残插图选中O
6、ption下的Plot，在计算式动态显示残差第10页，共15页，编辑于2022年，星期六FluentFluent设置设置第11 设置收敛动量收敛因子为0.4，其他保持默认设置设置迭代次数为5000初始化inlet参数开始计算第11页，共15页，编辑于2022年，星期六第12页FluentFluent模拟结果分析模拟结果分析残差图显示计算收敛在入口处，在最窄流通面的两侧流体速度升高很快，等值线分布较为密集。在管子后侧，流体边界层发生分离，形成回流区，速度较低。速度分析：第12页，共15页，编辑于2022年，星期六第13页FluentFluent模拟结果分析模拟结果分析温度分析：由于波纹翅片的表面
7、起伏变化，导致气流扰动较强，换热过程比较强烈，引起温度场的分布不均且变化剧烈，温度等值线呈现狭长带状，在第一排迎风侧气流温度上升较快。在迎风侧，温度场分布较密集，温度递增显著，此时流体与壁面的温差较大，换热强烈。在背风侧，温度场分布稀疏，温度变化不大，流体与壁面温差较小。在管子背风面尾迹区，由于发生扰流脱体而产生回流，气温较高，接近管壁温度，换热最弱。温度分布云图温度等值线图第13页，共15页，编辑于2022年，星期六第14页FluentFluent模拟结果分析模拟结果分析压力分析：波纹翅片表面连续起伏对流体的阻滞作用和扰动作用比较大，产生的能量损失比较大。在最窄流通面的两侧压力先降低后回升，在近壁处甚至出现负压区，原因是流体在扰流圆管时，流通面的变化引起流速先增加后减少，导致气体静压先减小后增加。压力分布云图压力等值线图第14页，共15页，编辑于2022年，星期六第15页Thank you!第15页，共15页，编辑于2022年，星期六