摘 要

如今工业产业蒸蒸日上，与工业产业息息相关的能源便成了目前非常重要的资源，然而我们所生存的地球上并没有取之不尽用之不竭的能源。当今地球，节能减排技术和提高能源的使用效率是解决这一问题的有效措施。而换热器作为能源交换的一种设备也显得越来越重要，但是目前电子芯片冷却等要求太高，往日传统的换热器已经不能满足这个要求。所以我们要研究一种新的技术，即微型板翅式换热器换热技术。

本篇论文的研究方法主要为COMSOL Multiphysics数值模拟，然后利用这个软件对微型板翅式进行三维模拟，得出相关流动特性跟传热特性的结果，再通过改变微型板翅式换热器翅片的翅高、翅距、翅厚得参数来研究翅片的几何参数（翅高、翅距、翅厚）对流体流动和换热的影响。最后总结得出规律：微型板翅式换热器翅片的翅高、翅距、翅厚会影响换热效率，翅高在一定程度上与换热效率成反比，翅距与翅厚在一定程度上与换热效率成正比。

关键词：微型板翅式换热器；数值模拟；结构优化；传热特性；几何参数

Abstract

Nowadays the industrial industry is booming, and the energy that is closely related to the industrial industry has become a very important resource at present. However, there is no inexhaustible energy source on the earth that we live in. In today's world, energy-saving and emission-reduction technologies and improving the efficiency of energy use are effective measures to solve this problem. However, heat exchangers are becoming more and more important as a kind of equipment for energy exchange. However, the requirements for electronic chip cooling are too high. Traditional heat exchangers in the past could not meet this requirement. So we have to study a new technology, that is, micro-plate-fin heat exchanger heat transfer technology.

The research method of this paper is mainly COMSOL Multiphysics numerical simulation, and then use this software to carry out three-dimensional simulation of the micro-plate-fin type, get the results of the relevant flow characteristics and heat transfer characteristics, and then change the micro-plate-fin heat exchanger fins The parameters of wing height, wing pitch, and wing thickness were used to study the effects of fin geometric parameters (fin height, wing pitch, wing thickness) on fluid flow and heat transfer. Finally, we conclude that the rules: the fin height, the wing pitch, and the fin thickness of the micro-plate-fin heat exchanger fins will affect the heat exchange efficiency. The fin height is inversely proportional to the heat exchange efficiency to a certain extent, and the wing pitch and the wing thickness are certain.

Keywords:Micro plate-fin heat exchanger; Numerical Simulation;Structural optimization;Heat transfer characteristics;Geometric parameters

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.2 换热器优化设计的现状 1

1.3强化传热技术研究现状 2

1.4板翅式换热器的国内外研究分析 2

第二章 流体力学基础及COMSOL软件介绍 3

2.1 流体力学基础 3

2.2流体的基本性质 3

2.3流体力学基本方程 4

2.4 COMSOL Multiphysics软件的介绍与应用 5

第三章 微型板翅式换热器结构特点概述 7

3.1微型换热器的简介 7

3.2 微型换热器的特点 7

3.3 板翅式换热器的基本组成 7

3.4 翅片的作用和形式 7

3.5 板翅式换热器的特点 8

第四章 微型板翅式换热器数值模拟 9

4.1微型板翅式换热器数值模拟的建模 9

4.1.1微型板翅式换热器翅片的几何结构和参数 9

4.1.2问题的简化与假设 9

4.2 COMSOL软件数值模拟的相关设置 10

4.2.1 使用COMSOL软件建立模型 10

4.2.2COMSOL软件的相关设置 10

4.2.3对模型的网格划分 10

4.3 COMSOL数值模拟结果分析 11

4.4微型板翅式换热器与常规板翅式换热器换热效率的比较 15

4.4.1常规板翅式换热器翅片的参数 15

4.4.2 常规板翅式换热器模型的数值模拟分析 15

第五章 翅片几何参数对流体流动和换热的对比模拟和分析 17

5.1 翅片高度对流动和换热影响的对比模拟和分析 17

5.2 翅片厚度对流动和换热影响的对比模拟与分析 20

5.3 翅片间距对流动和换热影响的对比模拟和分析 23

第六章 结论与展望 26

6.1 结论 26

6.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 绪论

众所周知，传热过程是大自然和工程应用中十分普遍的传递过程,而完成各种热传递过程的换热器则是应用非常广泛的单元设备之一。当今世界,能源的短缺是总趋势。能被我们所利用的能源越来越少，这便对换热技术提出了更高的要求^[1]。所以,换热器的开发与应用以及换热效率的提高就成为十分重要的研究课题。

1.1课题研究的目的及意义

在世界刚刚步入工业时代的初期，能源一直是被视为一种能被我们无限获取的资源，甚至在我们科学的发展史上，曾经有不少人尝试制造永动机。然而社会是进步的，科学是发展的。在1973年和1979年，人类对能源的认识被两次突如其来的能源危机所改变。从1900年到2000年，全地球的能源消耗总量上升了20倍，其中三大化石能源占据了80％以上^[2]。中国对能源的消耗量也逐渐与世界接轨。改革开放以后的中国大力发展经济，这使得中国对能源的依靠日益加重，不可否认的是这几十年来中国的发展十分迅速，但是在这快速的发展背后是以无数能源作为代价的。提高能源使用率、保护环境、发展可再生能源是中国目前面临的主要课题。如今的全球温室效应逐渐增强，全球的平均温度也逐步上升，注重能源的消耗也是当今世界所必需面对的重要课题。

能源是现代化社会运转的基本保障，在经济发展中占据十分关键的地位。中国的能源消耗量十分巨大，其化石能源是主要的供应来源，其中是以煤炭为主^[3]。近年以来，环境污染问题越来越严重，而能源消耗是罪魁祸首。大力快速发展绿色可持续能源与利用科技创新来提高能源使用率是解决此类问题的主要方法。发展绿色能源是可持续发展战略的重要保证。然而鉴于目前中国的现状，提高能源利用效率是当今最有效、最直接的方法。

换热器一般是应用于两个或多个流体之间进行热传递的一种设备^[4]。在现代化的工业社会里换热器的应用无处不在，例如在石油、动力、空调、制冷、工业制造和代用燃料中，都能看到换热器的身影，换热器在这些领域发挥着重大的作用^[6-7]。

1.2 换热器优化设计的现状

换热器一般是应用于两个或多个流体之间进行热传递的一种设备。一般的换热器优化包括两个方面：第一个方面的对换热器的换热表面进行改造，具体的做法是利用各种强化传热手段以增加局部换热面和改善局部流动状态，例如加上翅片、纵向锅发生器等等；其次就是在相同的流动状态下，通过改变换热器的几何结构，对其几何结构进行优化从而增加换热器的换热效率^[8-9]。例如逆流换热器的换热效率比顺流的大便是一个很好的例子。第一个方面解决＂用什么＂的问题，即构造换热器的材料选取问题。第二个方面解决＂如何用＂的问题，即换热器的基本几何结构问题。

1.3强化传热技术研究现状

对换热器的优化第一个方面实际上就是研究各种换热器的强化传热技术。Bergles对流体强化传热分为了四代^[10]：第一代采用普通的换热表面；第二代是在第一代的基础上布置平直翅片来加强换热；第三代则比第二代多采用了纵向锅发生器、微肋等强化传热的元件；第四代是在以上强化传热技术的基础上，通过外加电场来起到强化传热的目的^[10]。

除此以外，在能量输入的角度，强化传热技术又可分为无源强化技术、有源强化技术和复合强化技术^[11]。无源强化技术主要是包括扩展表面、粗糙表面、扰流元件、异型管等。有源强化传热技术则需要外来能量来支持强化传热。而复合强化技术较为复杂，是其两者的一个结合^[12]。

1.4板翅式换热器的国内外研究分析

比表面积大、二次传热等是板翅式换热器所具备的有点，因此越来越得到国内外专家学者的广泛关注。由于翅片的结构较为简单，故可以从换热器翅片的结构着手，对其结构进行优化。

关于板翅换热器通道结构以及换热器内流体流动等问题，相关的国内外学者展开了大量的研究工作^[13-17]。GUPTA研究了垂直方向上热传导问题的交叉流换热器性能评价问题以及低温热量泄露问题^[18]。SAHIN研究了管翅式换热器中流动问题，分析换热器流道中流体时均与相均的紊流特性^[19]。

在流体流动传热数值模拟这个方面^[20-22]，ZHANG研究了基于最小熵产的板翅式换热器模型优化与应用问题^[23]，提出一种通用的三维分布式参数模型^[23]。TAO利用三维数字化数值模拟方法研究了开缝翅片多级换热器流体流动与传热特性的相关问题^[24]。WEN研究了板翅式换热器入口流体流动模式以及流体的传热性能问题^[25]。

我国的杭州制氧机研究所在上个世纪九十年代的时候，从国外引进了生产制造板翅式换热器的相关技术。在后来的几年中，大型真空钎焊炉业接连生产制造，从此以后我国板翅式换热器的生产制作技术便更上一层楼^[26-27]。我国的工业技术不仅仅需要引进国外的先进技术，还得需要自身的创造与创新，为此，中国的科研人员应该不忘初心，投身科研，努力做出属于中国自己的东西。

第二章 流体力学基础及COMSOL软件介绍

2.1 流体力学基础

流体是具有粘性的，粘性就是流体在相邻两层之间由于相对滑动而造成内摩擦力而阻止它们相对滑动。流体假设不存在粘性的话那便被称为理想流体，不然便是粘性流体。地球上是不存在真正意义上的理想流体的，即流体内或多或少都有粘性的存在。

牛顿流体是根据粘性流体介质内部的摩擦剪应力与速度变化率之间的相互关系来判断的，例如空气和水都是常见的牛顿流体。对靠近壁面的流体进行研究，可以发现一部分静止的流体是黏着在壁面上静止不动的。粘性流体是存在内摩擦作用的，则挨着这部分流体的另外一层流体会受到迟滞作用而产生减速的效果。

流体的流动状态一般会分为两种。一种是层流而另一种为湍流。层流是指流体在流动过程中层与层之间没有相互掺杂在一起，湍流是指流体在流动过程中相互混掺的一种情况。

2.2流体的基本性质

1.流体的压缩性

流体即为能够流动的物体。流体的压缩性指的是当作用在流体上的压力变大时，流体的体积会变小。压缩系数一般用来表示流体的压缩性。

当流体的密度为一个固定不变的值时,我们把它看做成不可压缩流体。为实验的简化，我们一般视流体为不可压缩流体即它的密度和体积不受压力影响。

1. 流体的膨胀性

一般而言，当流体的温度上升时流体的体积也会随之相应的增加，这便是流体的膨胀性^[6]。流体膨胀的强度一般是用膨胀系数表示。在实际应用时，可以近似忽略流体的膨胀性，故一般不考虑流体的膨胀性。

3.流体的导热性

当流体与其他介质内部存在温差时，热量是会自发地从高温部分流向低温部分。当流体在通道内速度较高时，靠近壁面侧会出现层流，此区域的流速很低，因此该区域的流体传热方式主要是为热传导，除了层流区域以外的主要是热对流。其产生的热量可由傅立叶定律来测定:

（2.1）

n是此区域的法线方向；/是沿个方向的温度梯度；是导热系数；负号“-”代表传递热量的方向与温度传递方向相反。

一般而言，流体和固体壁面之间的换热量可以用下面这个式子表示：

（2.2）

其中h是对流换热系数，主要是通过试验得出的表达式来确定。

4.层流流动与湍流流动

流体的流动状态一般会分为两种。一种是层流而另一种为湍流。层流是指流体在流动过程中层与层之间没有相互掺杂在一起，湍流是指流体在流动过程中相互混掺的一种情况。

这里需要说明的是，流体的流动状态还与雷诺数有关，雷诺数Re定义为：

（2.3）

代表流体的密度；u代表流体的平均流速；d代表流体管道的直径；为流体的动力黏性系数。

在实际的应用中，当Re lt;2000时，流体流动状态为层流；当Regt; 2000时，流体流动为湍流。雷诺数实际上是一个无量纲数，反映惯性力与粘滞力之比。黏性力能够减小致使流体发生湍流的扰动力，让流体保持层流的状态。当雷诺数大时，很显然，流体的惯性力占主导地位，这样流体会很容易发生湍流流动。

2.3流体力学基本方程

流体力学包括多种动量、能量、热力守恒定律。流动性和粘性是流体的基本性质。雷诺数表示的实际意义为惯性力与上黏性力的比值。当雷诺数慢慢增大时，流体状态逐步由层流变为湍流，流体内的换热反应也变得十分剧烈。

1.动量转换和守恒方程

不同的流体在传热时，其动量是会发生变化的，但当把它们看成一个系统时，其总的动量是会保持不变的。这就是我们所说的动量守恒定律。动量守恒方程也有另一种叫法，即运动方程。其方程表达式如下：

（2.4）

（2.5）

（2.6）

式中，是密度，是时间，、、是速度矢量在x、y、z方向上的分量，是流体微团上的压力，、、等是粘性应力在流体微团表面上的分量，、、是微团的体力。

2.能量守恒方程

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