PDF《·机械研究与应用·一》

研夯与分析 ・机械研究与应用・一 异型管在热管换热器中传热数值模拟研究 闫登强.

卿德藩,邹家柱,艾青锋 (南华大学机械工程学院.湖南衡阳421001) 摘要:针对热管换热器中热管具有高效传热特性,在诸多领域有着极其重要的应用.应用fluent计算软件对三种不 同形状的热管的传热性能进行研究.并研究三角形热管与四边形热管混排的传热性,并比较它们之间的传热 效果.分析得出:圆形热管的传热系数从前排到后排近似符合抛物线分布;

三角形热管的热管系数从前排到 后排维持高的传热系数不变,在此热管换热器中三角形热管的综合传热性能最好,能起到强化传热的效果;

正方形热管和正方形与三角形热管从前排到后排传热系数近似符合指数分布. 关键词:FLUNET;

异型热管;

热管;

数值模拟 中图分类号:TF54 文献标识码:A 文章编号:1006―4414(2010)04―0021―03 Numerical simulation research of transfer of special・-shaped heat pipe in heat exchanger Yah Deng―qiang,Qing De―fan,Zou Jia―zhu,Ai Qing―feng (College of mechanical engineering,university ofsouth China,Henyang 421001,Ch/na) Abstract:The heat pipe is extremely used in many fields for that the efficiency of heat tr龇lgfer characteristics in heat pipe ex- changer.In this paper the three different shapes of heat transfer is calculated by fluent and research the mixture of the heat pipe of试眦gul8r and square in the heat exch蛆ger of heat pipe.Then comparing the e任bct of heat transfer between them.The result show:The tranffer coefficients of round heat pipe nearly obey parabolic which from the previously to the rear.如1e LrarlS- fer codtldents of谢锄gtIl盯heat pipe maintain higller value from the front to the end,in this heat exchanger the triangular heat pipe is the best comprehensive heat transfer and enhanced the heat transfer.The transfer coefficients of square heat pipe and the mixture of 8q啪and triangular heat pipe nearly obey the exponential distribution. Key words:Fluent;

shaped head pipe;

heat pipe;

numerical simulation l引言热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热 的高效传热元件,可将大量的热量通过内部很小的截 面通道远距离地传输而无需外加动力.热管具有很 高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方 向的可逆性、热二极管与热开关性、恒温特性以及对 环境的广泛适应性等一系列基本特性【l.J,因此热管 作为一种新型高效传热元件,逐渐被人们所认识,并 在各种节能换热设备中发挥了越来越重要的作用. Lee【61实验研究了影响热管传热性能的各种内、外因 素.Noie【71指出,由于热管具有很高的传热性能,因 此在回收余热领域具有重要的作用,而热管的传热性 能受到很多因素的影响.Noie从实验研究的角度验 证了Shiraishi和Kikucllil【81提出的基本模型.热管 由总长为980mm.内径为25mm,外径为32ram的光 滑铜管制造而成,工作介质为蒸馏水;

对热管饱和蒸 汽温度、蒸发段热流密度和冷凝段热量输出进行测 量,实验结果与已有的经验关系式吻合的很好.同时 Nioe也对最佳充液量进行了实验研究.并通过改变 加热段长度来改变加热段与冷凝段的比率,分析不同 比率对传热性能的影响.笔者以空气为加热介质,水 为冷却介质时圆形热管、三角形热管、四边形热管在 热管换热器中对传热性能影响进行研究. Fluent软件是由美国FLUENT公司研制的CFD 软件,在全球CFD市场占有最大的市场份额.其核 心求解模块之一是与美国NASA联合开发,可以模拟 从低速、高速范围内的各种复杂流动、燃烧、换热及复 杂化学反应等问题.采用对其合适的数值解法时计 算速度、稳定性和精度方面可达到最佳;

可计算流场、 传热和化学反应.其根据实际上就是做很多模块,这 样只要判断是哪一种流场和边界就可以拿已有的模 型来计算,可以对定常、非定常、层流、紊流、不可压缩 流和可压缩流动进行计算.对每一种物理问题的流 动特点,有其适合的数值解法,用户可对显式或隐式 差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度 等方面达到最佳. 2物理模型及数值计算方法 2.1热管管型设计及布管形式 研究表明,热管的排列方式对热管换热器的传热 性能有影响,因此可采用倒三角形排列【9】,换热管的 收稿日期:2010一05一15 作者简介:闫登强(1985一).男.四川通江县人.在读硕士.研究方向:强化传热. ・21・ 万方数据 研究与分析 ―___ll-机械研究与应用・一 形状及排列方式如图l所示. (-)圆形捕管布置形式 虽量目虽昼虽冒虽 量重量重量重量匿 (b)三角形热管布置形式 量目E3匿虽E:]旨虽r-I量虽 (c)正方形热管布置形式 (d,混合热管布置形式 图I 不同热管的布置形式 其中,圆型热管为咖20,三角形热管是边长为20 mm的等边三角形,正方形热管边长为20ram,管长均 为100mm,各管间距均为30ram. 2.2计算方法 可采用流体软件Fluent进行数值模拟计算.采用RNGK一8两方程湍流模型Couple算法进行计算, 离散项均采用二阶迎风格式,其人口条件为速度入 口,出口对空气加热采用的是流体与换热均达到充分 发展的边界条件,水冷却采用压力出口.设定壁面条 件为恒温壁面,出口延长段和进口延长段均为 50ram,计算区域为整个热管换热器.此次计算的烟 气进口流速在10―14m/s的范围内进行选取【101,并 设定在计算过程中是非定常流动的.所用方程包括 三维、非稳态、常物性的连续方程、动量方程、能量方 程,热管处理成内热源进行耦合pJ. 表1计算条件及参数 3结果与分析 3.1速度矢量图及温度等势图 图2不同类型热管的速度矢量图与温度等势图 ・22・ 图2为不同类型热管的速度矢量图,流动分析是 传热特性分析的基础,可看出这四种热管的流动形态 完全不同,温度在热管换热器的分布也不同,因此可 以看出四种结构形式的热管传热的效果也不同. 3.2不同类型热管对换热性能的影响分析 三种不同热管形式及一种三角形热管与正边形 热管混排下各热管管壁Nu数,如图3所示. q"-P0s7-…25Ⅲ{-;

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57川Ic)正方形热菅f壁的Nu 'd'混争赫菅量茔的Nu 图3不同类型热管管壁Nu数变化图 从图3中可以看出.三种不同类型的热管及混排 的热管管壁的肌数的大小及随位置的变化规律都 不同,这说明热管换热器中热管的形状可显著的影响 其换热器的换热效果.从图3(a)可以看出,圆形热 管管壁的Nu数随位置近似成抛物线变化,这说明在 热管换热器中中间热管的传热效果最差,热管的热传 ¨¨¨¨¨¨¨¨ "们¨¨¨叮竹们毗帔 mm泓m咖协小卅 m伽mmm叭叭咻咻蜘 11l L王乞工工 LLLLLL吼也tt 万方数据 递系数最大发生在热管的外侧.从图3(b)中可以看 出.三角形热管管壁在整个热管换热器中维持高Nu 数并且每根热管的Nu数相等,即三角形热管在整个 热管换热器中传热效果很好而且传热均匀.从图3 (c)和(d)中可以看出正方形热管和正方形热管与三 角形热管混排的管壁Nu数所位置变化趋势基本一 致,成指数变化趋势.在靠近速度进口前面中间几排 混排热管管壁的Nu比正方形热管管壁的高,这可能 是中间混排了三角形热管的缘故,再向后两中热管形 式热管管壁的Nu数基本相同.由此可看出热管的 热传递系数后排高于前排,说明在热管后排热流密度 矢量和速度矢量协同性较好. 根据协场同理论¨1|,研究整个热管的强化传热 情况.为了考察热管换热器不同影响因素,笔者采用 平均协同角来进行量化处理.利用Fluent软件,应用 矢量点乘原理和三角函数公式计算协同角,通过 UDF获得局部协同角分布,采用平均方法对局部协 同角作平均处理,获得平均协同角.协同角的沿程变 化如图4所示. 图4平均协同角在位置上的变化 三角形热管的平均协同角在整个换热器中都有 很高的协同角,如图4所示.圆形热管在进口和出口 的的协同角很大,在中间的协同角相对较小,正方形 热管及混排热管在后排的协同角较高,这主要是由于 热管的本身性质所决定的,热管的排后位置的饱和蒸 汽温度高于前排. 综合考虑换热和流阻可采用Webb―Bergles【11】 方法中常用的PEC―l来评价其强化传热.以圆形 热管为基准换热面进行比较,得出三角形热管的传热 量比上圆管的传热量得出PEC―l>l,同理得出其他 两项的PEC―l