摘 要

本文研究的翅片管式换热器是大型低速船舶涡轮增压柴油机的中冷器，它通过冷热流体热交换来降低柴油机的进气温度，实现了提高发动机功率、改善动力性、减低燃油消耗的目的。本文通过Fluent软件对翅片管空气侧、换热器整体以及多种强化换热型翅片的换热与流动特性进行数值模拟研究。

首先针对厂家提供的翅片初始模型，结合j/f评价因子，分析不同的开缝中心距T、开缝高度H和开缝夹角θ等结构参数对换热和流动性能的影响，得出性能最优的结构参数结果。模拟结果显示了流体域流线、温度、压力和速度分布情况，发现随着雷诺数Re的增大，进出口压降和换热量都是在增加的，但j/f因子是在减小的。

结合多孔介质模型理论，本文对翅片管式换热器的空气侧和水侧整体进行仿真模拟研究，拟合出空气侧压力降与入口速度之间的关系，结果表明空气侧基管背部速度发生分离，出现明显涡流区。

关键词：翅片管式换热器，参数优化，数值模拟，多孔介质

Abstract

Fin-and-tube heat exchanger, as an efficient heat exchange equipment, is widely used in energy and power, HVAC, oil and chemical industry, vehicle and ship etc. In this paper, we study the fin-and-tube heat exchanger. This heat exchanger is the intercooler of a large low speed turbo-charging diesel engine, it reduces diesel engine inlet temperature through the cold and hot fluid heat exchange. And it implements the purpose of increasing engine power, improving power performance, reducing the fuel consumption. This thesisconducts numerical simulation research on heat transfer and flow characteristics of the airside of fin and tube, overall heat exchanger and variety of heat transfer enhancement fins byusingFLUENT software.

This thesis, combining with the j/f evaluation factors, analyzes the effect of different slit center distance T, slotted height H and slotted Angleθ etc. structure parameters to exchange heat and flow performance on the model. It concludes the optimal performance results of the structure parameters. Simulation results show that the fluid domain flow, temperature, pressure and velocity distribution. We will find that with the increase of Reynolds number Re, import and export pressure drop and heat transfer are all increasing, but j/f factor is decreasing.

Combined with the porous media theory, this thesis conducts numerical simulation research on overall airside and waterside of fin-and-tube heat exchanger, and it fit out the relationship between air side pressure drop and inlet velocity of fluid.

Results show that there being a significant vortex area and air side base tube back speed separation.

Key words: fin and tube heat exchanger, parameteroptimization, numerical simulation, porous media.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景与意义 1

1.2翅片管式换热器概述 2

1.2.1翅片管的分类 2

1.2.2翅片管的特点 3

1.3国内外研究现状 4

1.4本文设计的主要内容 5

2.1传热过程 6

2.1.2热传导 6

2.1.2 热对流 7

2.1.3 热辐射 7

2.1.4 传热过程 7

2.2 流体动力学基本方程 8

2.2.1 质量守恒方程 8

2.2.2 能量守恒方程 8

2.2.3动量方程 9

2.3 流体动力学数值计算方法 10

2.4开缝翅片管式换热器的计算特性 13

2.5 传热与流动评价准则 14

2.6数值模拟和Fluent简介 15

2.6.1数值模拟简介 15

2.6.2数值模拟的优点 15

2.6.3 Fluent简介 16

第3章 翅片管空气侧性能模拟研究 17

3.1引言 17

3.2 模型建立与条件设置 17

3.2.1 计算域模型 17

3.2.3网格划分 19

3.2.4物性参数 20

3.2.5求解算法 20

3.3数值模拟结果分析 20

3.3.1雷诺数Re=1982时模拟结果分析 21

3.4翅片管结构参数影响分析 24

3.4.1中心距T对换热和流动的影响 25

3.4.2开缝高度H对换热和流动的影响 27

3.4.3开缝夹角θ对换热和流动的影响 29

3.5本章小结 31

第4章 翅片管式换热器整体数值模拟 32

4.1多孔介质模型理论 32

4.1.1达西定律 32

4.1.2多孔介质动量方程 32

4.1.3多孔介质能量方程 33

4.2 模型建立与条件设置 33

4.2.1计算域模型 33

4.2.2边界条件设置 34

4.2.3网格划分 35

4.2.4物性参数 35

4.2.5多孔介质参数设置 35

4.3 数值模拟结果分析 36

4.4本章小结 37

第5章 总结 38

参考文献 39

致 谢 42

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

能源作为国家经济发展的命脉，作为人类的生存、经济的大幅提高的动力源泉，对当今世界经济的发展起到了不可替代的作用。中国是能源生产和消费的大国，但能源紧缺、气候变化、资源浪费等问题困扰着我国，为了满足国民经济和社会发展的需要，建设资源节约型、环境友好型社会是必然选择。

换热器是使热量从热流体传递到冷流体，以满足生产工艺要求的热交换设备^[1]。在石油化工、能源动力等工业生产中，总需要实现冷热流体热量交换，包括热流体被冷却和冷流体被加热过程。换热器一方面保证了生产流程的工艺条件，另一方面也可以实现热回收、开发低品位能源，做到能源循环有效利用^[2]。

换热器的外形各式各样，按传热面的结构形式进行分类可分为管式、板式和其他型式等。管式包括了管壳式换热器、翅片管式换热器和套管式换热器等^[3]。板式包括了板式换热器、板翅式换热器、螺旋板式换热器和板壳式换热器等。热管换热器、回转式换热器等满足特殊要求而出现的换热器则属于其他型式换热器。