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摘 要

翅片式热管换热器由于增加了翅化表面，性能显著提升。随着信息技术以及计算流体力学和数值传热学的发展，研究者的手段更丰富、更方便快捷。本文利用ANSYS icepak软件对翅片式热管换热器进行数值模拟，使用控制变量法分析各个参数对热管换热器的传热与流动的影响。

本文通过云图分析及数据分析对比来表现整个问题，云图分析说明某特定参数情况下热管换热器模型中的传热特性与流体在其中的流动特点，数据分析对比改变尺寸参数时特性参数的变化，来说明参数对热管换热器模型流动和换热的影响。

关键词：椭圆翅片 热管换热器 数值模拟

Analysis of Heat Transfer and Flow of Elliptic Fin Heat Pipe Heat Exchanger

Abstract

Finned heat pipe heat exchangers have significantly improved performance due to the increased finned surface. With the development of information technology, computational fluid dynamics and numerical heat transfer, researchers' means are more abundant, more convenient and faster. In this paper, ANSYS icepak software is used to numerically simulate the finned heat pipe heat exchanger, and the control variable method is used to analyze the influence of various parameters on the heat transfer and flow of the heat pipe heat exchanger.

This paper presents the whole problem through cloud chart analysis and data analysis comparison. Cloud chart analysis shows the heat transfer characteristics of the heat pipe heat exchanger model and the flow characteristics of the fluid in the case of a certain parameter. To illustrate the effect of parameters on the flow and heat transfer of the heat pipe heat exchanger model.

Keywords: elliptical fin; heat pipe heat exchanger; numerical simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1节能减排的重要性 1

1.2热管换热器概述 1

1.2.1翅片式热管换热器 1

1.2.2翅片式热管换热器数值模拟研究现状 2

1.3翅片式热管换热器的模拟分析 3

1.3.1传热模型 3

1.3.2边界条件和模拟算法 3

1.3.3物理模型与划分网格 3

1.3.4数值计算与求解 3

1.3.5结果分析并得出结论 3

1.3.6比较影响因素 3

1.4研究的问题和手段 3

1.4.1研究内容 3

1.4.2拟采用的手段 4

第二章 热管换热器建模 5

2.1icepak简介 5

2.2物理模型 5

2.3几何模型 6

2.4边界条件 7

2.5划分网格 8

2.6本章小结 9

第三章 数据处理及分析 10

3.1相似原理与量纲分析 10

3.1.1相似原理 10

3.1.2量纲分析 10

3.2模型问题描述 10

3.3理论计算 11

3.4模拟计算 13

3.4.1相关参数 13

3.4.2计算参数定义 14

3.5结果对比 14

3.6模拟结果后处理 15

3.7数据处理与分析 26

3.8本章小结 32

第四章 结论与研究不足 33

4.1结论 33

4.2研究不足 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1节能减排的重要性

经济高速发展，我国能源供求问题受到能源结构的限制也越来越明显。为此，加快扩大新能源的开发，发展节能储能新技术，对能源高效率利用，促进经济与生态健康协调发展具有重要意义。有关资料显示，工业能耗占我国总能耗的70%以上，造成这一结果的原因主要是能源利用率过低、能耗高等。因此，工业方面的节能减排技术是目前急需解决的问题^[1]。

1.2热管换热器概述

热管换热器由高效传热元件热管组成，体积紧凑、压降小、效率高，在相同传热量下，热管换热器的金属及动力能源消耗量比其他类型的换热器小^[2]。热管具有强导热性、良好的等温性、热二极管和热开关特性、热流密度可变性以及热流方向的可逆性和对环境的适应性，由于热管的这些特点，热管换热器也越来越受到重视，被应用于石油、动力、化工等行业的工业余热回收及干燥工艺上^[3]。

1.2.1翅片式热管换热器

换热器的设计目标是在保证设备的安全性及可靠性的前提下达到更好的换热效果。为提高换热器的换热性能，目前使用最广泛的方法是扩展表面，即增加翅化表面，这样一来，不仅增加了热管的换热面积，还打断了原来表面的边界层的连续发展，因此可以提高流动的紊乱程度，增大雷诺数，使得原本是层流的流体进入湍流状态，从而大大增加了传热系数，达到强化传热的目的^[4]。翅片是一类常见的强化传热技术，特别是在对流传热系数较低的一侧采用翅化表面可以更有效的强化换热。

翅片的表面结构和形状影响着翅片的传热效率。翅片按表面结构可分为平直翅片、间断型翅片、波纹翅片等，平直翅片按形状又可分为等截面、三角形、抛物线形等，平直翅片的传热系数和阻力系数比其他形式的翅片要较小，但其结构简单、制造工艺简单、成本低且具有良好适应性，是最常见的翅片式热管换热器，因此被广泛应用于于钢铁、冶金、电力、石油等行业，可以有效降低净低品位余热产出率^[5]。

1.2.2翅片式热管换热器数值模拟研究现状

人们对于换热器的研究已经近70年。近年来，对于换热器的研究也越来越火热。不少学者对其进行了实验研究。随着信息技术以及计算流体力学和数值传热学的进一步发展，数值模拟的兴起使得研究者的研究手段更丰富且方便快捷^[6]。由于热管换热器本身结构和传热特性的特殊与复杂性，数值模拟研究存在很大的难度。

2004年，孙世梅^[7]运用计算流体力学技术（CFD）、模型化技术、强化传热技术开发了一个高技术体系，研究了热虹吸管内部的强化传热。利用Fluent软件分析了热管换热器内流动与传热的局限性。赵蔚琳^[8]利用Fluent软件对高温热管翅强化管内换热过程进行数值模拟，说明了k-ε模型对热管翅强化管内换热能力表现的合理性。

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