1、 研究目的及意义

1. 1选题的目的及意义

换热器作为传递热量的通用设备，翅片管换热器具有加工和装配简单、能承受高 温高压、可靠性高、适应性强、选材范围广等优点，被广泛应用在空调、制冷、化工等工业领域被广泛应用于各个工业部门，其中以石油化工部门为例，换热器建设费用占总投资的25%，重量占到工艺设备总重的40%，因此提高换热器传热效率对于节约能源和减少污染物排放有着重要的经济价值与社会效应，同时提高换热器传热性能将会缩小换热器的面积与体积，简化生产流程，降低其制造成本。

由于换热器在工业中的广泛应用，对于实现换热系统的高效至关重要，在换热器中，管外流体的热物理性质和流体中的层流性质所产生的热阻会严重限制能量传递，因此确保传热高效性与设备紧凑性是目前研究重点，强化传热翅片主要是通过增大翅片换热面积和增大湍流来增强换热，从而改善翅片侧的换热热阻，我们目前可以借助数学模型来进行数值模拟，用于优化特定情境下的换热器设计。

1. 2国内外的研究现状分析

焦耳在1861年发表了冷凝器水侧换热强化的实验报告，被认为是最早的强化传热的文献，自此以后，科技界与工业界一直致力于提高换热器换热效率、减轻重量、缩小体积，尤其是受到上世纪60年代与70年代出现的世界性能源危机，使得传热强化技术获得了快速发展。在目前的工业体系下，受到产业升级转型和能源结构调整等时代潮流影响下，对于传热强化的研究提出了更高的要求，在向高效性与紧凑性的方向发展同时也在向微电子及人工智能方向进行拓展，进一步提高了传热强化技术的影响。

目前国内外对于传热强化主要有三个技术^[1]：无源技术（被动技术）、有源技术（主动技术）和复合传热强化技术。无源技术是指出去输送传热介质的功率外不需要消耗其他动力的技术，有源强化是指需要采用外加动力的技术，复合强化技术是指同时采用两种或者两种以上的换热。

强化换热理论也得到长足发展，国内主要有过增元提出的场协同原理^[2]和（火积）耗散理论。目前由于计算机技术得到快速发展，CFD计算流体力学模拟计算，可以在获得直观结果的同时大幅减少工作量。

AhmadaliGholami^[3]等人通过CFD对于波纹翅片椭圆管式紧凑换热器进行模拟，引入了无涡流发生器的翅片，通过在管表面采用单个波纹设计与三波纹设计，在波纹翅片后引入三线区域，增加了管表面的对流传热，减小阻力与流动方向压差，使得波纹翅片平均努塞尔系数(Nusseltnumber)比标准情况下增加20%，单波纹与三波纹设计使得椭圆管式紧凑换热器的性能提高5%与15%，同时实现了更小的尺寸，降低了整体重量，提高换热效率。

Chi-Chuan Wang^[4]主要研究了管径环境对于翅片几何形状的影响，通过提出采用较大管径（16.59mm）的人字形波纹管式换热器进行测试，分别在干燥和潮湿环境下进行测试，（N为纵向排布管数量）在N=2湿态环境下，传热系数相对于节距独立，当N=4时，传热系数上升，但是当N=8与12之间时，传热系数开始随管路数量增加而减小，潮湿环境下压降远高于干燥条件时，所以得到在潮湿条件下的传热性能通常超过干燥条件下的传热性能，随着管排的上升或节距的减小，传热性能变得更好。潮湿条件下普通几何形状的传热系数略低于干燥条件下的传热系数，但是相同环境条件几何结构对于压降的影响不大。

杜晓泽^[5]等人对于波纹管上进行打孔并且安装三角翼，通过红外设备获得具有和不具有三角翼对的加热波状表面的不同温度场，新型设备在雷诺数从1500到4500变化时，波浪管上六个三角翼对发生器的传热显着增加，同时使得平均努塞尔系数增加到21%-60%，增加了空气侧流动压力，进而增加了压降，平均摩擦系数增加了13-83%，证明了在波纹管表面加装三角翼对于传热强化影响很大。

Jeanette Cobian-In~iguez^[6]等人通过对换热器管径、间距布局等进行数值研究，引入三维速度和温度场分析法，将雷诺数作为变量，发现对于换热器换热效率来说，流体速度起到主要作用，而管布局作用较小，管径对于传热和压降的影响在小速度下不明显，可忽略不计，但在较大流速时会逐渐增大。

Diala Karmo^[7]等人通过对管式换热器中的传热和压降计算分析，设计了一种新型的管路排布方式，使得管路采用Z字形弯曲，可以使得换热器体积更小，减少材料消耗，空气侧速度与湍流增加，通过使用FLUENT计算分析，传热值相较传统管式换热器增加了59.13%。

何雅玲和陶文铨^[8]指出，目前存在三种单相对流换热的强化机制（减薄热边界层厚度、增加流体扰流度和增加壁面上的速度梯度）都可归为速度场和温度场梯度协同性的改善，场协同原理已经开始应用于湍流和传质方面的研究。

李亚雄和虞斌^[9]通过对带有 3 种异形纵向涡发生器的 H 型翅片椭圆管换热器的空气侧流动传热特性进行数值模拟研究，纵向涡发生器能够将高能量的流体引向流速较低的壁面区域，使冷热流体之间的混合加剧，增强流体的湍流动能，进而达到强化传热的效果; 与无纵向涡发生器的管束相比，带纵向涡发生器管束的 传热效果有明显的提高; 当纵向涡发生器后置时，换热器的传热效果最优; 在雷诺数相同，攻角为 30°时，流体的传 热性能和阻力特性均达到最优; 相同攻角摆放时，椭圆角矩形发生器的传热性能和阻力因子均优于其他两种形式的发生器。

陈彪^[11]等人借助软件对种不同类型的翅片管式换热器平直翅片、均匀波纹翅片和倾角渐增波纹翅片）的流动传热性能进行了三维数值模拟计算，得出了在不同入口风速下各流域中心面的温度场 、压力场和速度场分布图，计算出各翅片表面在不同风速下的平均传热系数和阻力系数发现倾角渐增波纹翅片的平均努谢尔数比平直翅片的高，比均匀波纹翅片的高，其强化传热效果显箸。

康海军^[12]等人，研究了3种翅片间距（s=2.0、2.6、3.2mm）和3种管排(N=2、3、4)的9个平直翅片管式换热器的阻力特性，片距对换热的影响与Re数有关。当 Relt; ( 2 ~ 3 )×10³时 , 随片距的增加,换热性能下降;当Regt; 2×l0 ³时,随片距的增加,换热性能增加;随片距的增加,翅片管束的阻力减小,而管排数对阻力系数没 有明显影响。

2、研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2．1研究内容

本文主要以平直翅片换热器与锯齿形翅片换热器展开强化传热机理的研究，借助FLUENT软件对模型进行三维数值仿真，研究其流道中流体的流动特性与传热特性，将锯齿形翅片的结构进行优化，将仿真结构与平直形翅片进行对比分析，研究其强化传热的机理。

2．2研究目标

通过对平直翅片管式换热器和锯齿形翅片管式换热器进行建模仿真研究，对于空气侧模型进行网格尺寸控制及网格划分，将空气侧模型分为四个方向，分别从翅高、翅厚、翅宽、错齿距这四个基本参数结构来进行研究，对仿真结果进行分析讨论，提升整体综合性能，重点研究以上参数对于流体流动特性、压降性能和换热器传热特性的影响。

2．3技术方案及措施

本文主要研究翅片不同结构参数，如翅高、翅厚、错齿距和翅宽对于流体流动特性及传热特性的影响规律，并且对研究对象做假设简化：本文研究对象为稳定工况下的板翅式换热器，采用的流体介质为空气，且不考虑重力、辐射换热、黏性能量扩散对流体的影响

（1）搜集并研究换热器强化传热机理相关文献。

（2）利用CAD软件绘制锯齿形换热器模型图，并且利用SolidWorks软件，分别建立平直形和锯齿形两种不同的翅片模型。

（3）有限元相关知识Ansys软件与学习计算流体力学相关基础知识及Fluent软件的使用方法，并利用CFD分析软件Fluent进行模拟，设置空气侧模型网格划分，边界条件等。

（4）通过控制变量法，建立四个模型，对于翅片的高度、厚度、宽度、错齿距四个因素进行模拟，可以得到四组不同条件下对应模型的压力场图、温度场图及速度场图根据换热器内流场分布、传热特性、局部换热系数及压力损失曲线，将结果用于翅片结构优化，以达到传热强化的目的。

4、参考文献

[1] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 [M]. 第 4 版. 北京：高等教 育出版社，2006.

[2]过增元. 对流换热的物理机制及其控制：速度场与热 流畅的协同[J]. 科学通报，2000，45(19)：2 118-2 122. GUO Zengyuan. Mechanism of convective heattransfer and its control[J]. Science Bulletin, 2000，45(19)：2118- 2 122.

[3] Ahmadali Gholami, Mazlan A. Wahid, H.A.Mohammed,Thermal–hydraulic performance of fin-and-oval tube compact heatexchangers with innovative design of corrugated fin patterns,InternationalJournal of Heat and Mass Transfer,Volume 106,

2017,Pages 573-592,ISSN 0017-9310,

[4] Chi-Chuan Wang, Jane-Sunn Liaw,Air-sideperformance of herringbone wavy fin-and-tube heat exchangers under dehumidifyingcondition – Data with larger diameter tube,International Journal of Heat andMass Transfer,Volume 55, Issues 11–12,2012,Pages 3054-3060,ISSN 0017-9310,

[5] Xiaoze Du, Lili Feng, Yongping Yang,Lijun Yang,Experimental study on heat transfer enhancement of wavy finnedflat tube with longitudinal vortex generators,

Applied Thermal Engineering,Volume 50,Issue 1,2013,Pages 55-62,ISSN 1359-4311,

[6] Jeanette Cobian-I#241;iguez, Angela Wu,Florian Dugast, Arturo Pacheco-Vega,

Numerically-based parametric analysis ofplain fin and tube compact heat exchangers,

Applied Thermal Engineering,Volume86,2015,Pages 1-13,ISSN 1359-4311,

[7] Diala Karmo, Salman Ajib, Ayman AlKhateeb,New method for designing an effective finned heat exchanger,AppliedThermal Engineering,Volume 51, Issues 1–2,

2013,Pages 539-550,ISSN 1359-4311,

[8]何雅玲,陶文铨.强化单相对流换热的基本机制[J].机械工程学报,2009,45(03):27-38.

[9]李亚雄,虞斌.不同纵向涡发生器流动传热的数值模拟[J].热能动力工程,2018,33(05):26-32.

[10]陈彪,余敏,龙时丹,王晓阳.翅片管式换热器空气侧流动及换热性能的数值模拟[J].上海理工大学学报,2014,36(04):307-311.

[11]曾敏. 波纹管内流动和换热规律的实验研究及数值模 拟[D]. 西安：西安交通大学，2004.

[12] 康海军,李娬,李惠珍,辛荣昌,陶文铨.平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究[J].西安交通大学学报,1994(01):91-98.

[13]周俊杰，陶文铨. 椭圆型开缝翅片换热表面特性的三维数值分析[J]. 机械工程学报, 2005，41(7)：90-93.

[14]QU Z G, TAO W Q, HE Y L. Threedimensional numerical simulation on laminar heat transfer and fluid flowcharacteristics of strip fin surfaces with X-arrangement of strips[J]. ASMEJ. heat Transfer, 2004, 126(4)：697-707.

[15]陶文铨，何雅玲. 对流换热及其强化的理论与实验研 究最新进展[M]. 北京：高等教育出版社, 2005.

[16]钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京: 化学工业出版社,2002.

[17]周俊波,刘洋等. FLUENT 6.3流场分析从入门到精通[M]. 北京: 机械工业出版社，2011.

[18]李晓伟,通道湍流换热强化的数值与实验研究[博士学位论文].北京:清华大学航天航空学院,2008

[19] Arafat A. Bhuiyan, M. Ruhul Amin,A.K.M. Sadrul Islam,Three-dimensional performance analysis of plain fin tubeheat exchangers in transitional regime,Applied Thermal Engineering,Volume 50,Issue 1,2013,Pages 445-454,ISSN 1359-4311,

[20]周俊杰. 紧凑式换热器表面的强化换热节能机理及其 优化研究[D]. 西安：西安交通大学，2006.

[21] 屈治国，何雅玲，陶文铨. 平直开缝翅片传热特性的 三维数值模拟及场协同原理分析[J]. 工程热物理学 报，2003，24(5)：825-827.

[22]王清富,赵小明.不同材料翅片管换热器传热及阻力特性试验研究[J].东方电气评论,2018,32(04):50-54 69.

[23]祝银海,厉彦忠.CFD技术在平直和锯齿形板翅式换热器设计中的运用[J].家电科技,2006(03):52-54.

[24]郭丽华,覃峰,陈江平,陈芝久.错列锯齿翅片流动及传热特性的参数化数值与试验研究[J].内燃机工程,2007(01):56-61.

[25]张芸豫. 换热器综合性能的优化设计方法研究[D].兰州理工大学,2009.

[26]曹应佳. 基于FLUENT的波节管换热器性能数值仿真及其结构优化[D].武汉理工大学,2012

[27]陈昌. 管壳式换热器性能模拟与翅片强化传热仿真研究[D].武汉理工大学,2011