文 献 综 述

一.课题背景

目前好多重轻工业中，例如在能源领域，化工领域，制备医药，以及在新型高新技术领域等，都需要有大量的热量进行交换，换热器是量大面广的通用设备，换热过程则是换热器的核心控制过程，而翅片管式换热器是空调，制冷，化工等工业领域广泛采用的一种换热形式，对它的研究不仅有利于提高其换热效率和整体性能，而且对改进翅片管式换热器的设计形式有着重要的指导意义，同时，换热器的研究和发展也对资源的有效利用，对走资源节约型，环境友好型社会具有重要的战略意义。

二．片管的研究进展

长期以来，国内外学者对换热器传热性能进行了大量的理论和实验研究[1~3]，姬长发[4]通过对圆管矩形翅片的模拟研究，得到翅片后半部分的换热量占全部换热量的25%左右；李启良[5]通过对椭圆管矩形翅片换热器的模拟研究，得到椭圆管的流动阻力要小于圆管，并且在两者的在两者的矩形翅片外形相同的情况下椭圆管换热系数也要高于圆管，但是这些研究主要集中在圆管圆翅片，圆管矩形翅片，椭圆管矩形翅片以及椭圆扁管蛇形翅片等类型,研究的是翅片管方面的换热热量以及流动阻力的比较。不仅结构对翅片管的影响，具有不同的效果，在矩形翅片椭圆管簇传热及阻力研究方面，国内外都做了不少工作，尤其是西德在工业上很早就开始应用[6].，国内在这方面较详细的研究可见文献[7]和[8]。他们在以往的基础上[9] [10] [11]对实验结果进行了简要分析，，分析结果表明，矩形翅片椭圆管的传热性能比较优越，在文献[12]中主要有一下几点：（1）椭圆管有较好的气动性。从气动性，可知椭圆管的分离点随长短轴之比a/b的增大而后移，从而减少了管后的漩涡区。从局部放热系数的研究证实，处于漩涡区的翅片表面放热系数是较低的，因此漩涡区的减少对放热是有利的。（2）椭圆管在截面相同的条件下，其湿周较圆管大，因而放热系数大。（3）对于同样材料的翅片，椭圆管上的矩形翅片的翅片效率比圆管圆翅片的翅片效率一般要高8%左右。（4）浸锌的链接方式除了有防腐作用外，可保证翅片与基管接触牢固，大大减少接触热阻。（5）翅片上的四个扰流孔，增加气流的扰动，对换热及阻力均有利。同时，前人也对翅片管的换热效果进行计算并用不同的计算方法进行测量和模拟，例如：钱剑锋，孙德兴[13]等，通过遗传法对在近室温下圆翅片管翅片传热模型，文章以单位温差，单位换热量下的热管翅片体积最小为目标函数，建立了热管翅片高度，间距，厚度等结构参数的函数关系式，利用遗传法对目标函数进行了优化，减少了陷入局部极值的风险，特别对非线性优化问题具有很强的适应性，利用遗传法，具有寻优方法简便，快捷，大大节省计算费用的优点。但是文章主要对圆翅片管的结构进行了分析，而没有对换热系数和换热阻力进行分析和比较，所以，在对圆翅片管研究时，不仅结构重要，同时热力分析，传热分析也一定很重要。黄钰器[14]紧凑式换热器中，对锯齿翅片和波纹翅片的不同开孔方式建立了多种三维模型进行分析。结果表明，对锯齿形翅片,不同开孔参数对流动、散热都有不同的影响。当孔径达到一定范围后，再增加开孔尺寸并不能显著提高换热性能，却仍会导致流动阻力大大增加。对波纹形翅片，不同的开孔位置也会对空气侧流动阻力和传热性能产生显著影响。开孔位于波纹顶峰的翅片比开孔位于波纹腰部的翅片传热性能大约提高1.1%～3.8%，而空气侧压降增加了5.8%～16%。张来[15]等对电站直接空冷系统的基本换热元件矩形翅片椭圆管建立三维物理数学模型，对空气侧流动和传热性能进行数值研究。分析了不同迎面风速下翅片上无扰流孔和开有扰流孔两种情况下矩形翅片表面的局部表面传热系数分布规律,发现椭圆基管后存在的尾流区使得翅片的强化换热作用减弱。杨小琼[16]研究了管排数对叉排翅片管束换热的影响，由于翅片管束的换热强度主要由翅片表面的换热性能决定，因此管排数对换热性能的影响不仅与翅片形式有关而且与管子排列方式，无因次管间距，Re数，翅片密度，翅片高度等因素有关[17]。我们知道，研究管排数对翅片管束换热性能的影响通常有两种方法：第一种方法是研究处于管束中不同位置的个别管排数的换热，称为局部模拟法。第二种方法是研究整个管束的换热，称之为整体模拟法。用整体模拟法求得的是管束的平均换热系数，第二种方法比较实际，而文章正是采用的是第二种方法，从得下来的实验结果表明，无论是平直套片翅片管束，还是椭圆翅片管束，作者试验和文献中看出，管排数对管束平均换热特性的影响都存在一个临界雷诺数Recr。当Re时，排数越多换热性能越差。Recr值的大小受管束的几何形状，S1/D,S2/D及h/d等影响。张鹏[18]，史佑吉等研究了进风角度对钢制椭圆翅片管束散热器热力阻力特性的影响，研究表明随着进风角度的增加，对传热系数的影响不显著，而且随风速的增高，进风角度对传热系数的影响愈来愈小，进风角度对气流阻力影响较大，在风速相同的条件下进风角度愈大，气流阻力愈大，在进风角度相同的条件下，迎风面风速愈大。纵观上述前辈的研究领域和研究方向，尚未对双管双排圆翅片管进行热力性能分析，而我的课题将在此中阐述此热力性能的研究与分析。

三.数值模拟和数据计算

由于理论计算及实验研究存在一定的局限性，随着电脑软件的充分发展，软件的数值模拟已经给科学研究带来了巨大的便利。现在大型商用CFD软件有很多，如PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR一CD，ANSYS等，是解决流体力学和传热学方面问题的强大工具。利用CFD方法能够很方便的模拟一维、二维、三维及层流或湍流、单相或多相、稳态或瞬态流动题，从而高效率地解决工业中的复杂流体计算问题。国内方面，司子辉[19]等利用FLUENT数值模拟方法,研究两种翅片(波纹三对称穿孔翅片与波纹翅片)的表面流动性与传热性,得到不同风速表面传热系数的分布。研究结果表明:当气流速度不同时，波纹三对称穿孔翅片表面传热系数比波纹翅片表面传热系数高20%～28%,节约能耗，强化传热任能[20]等利用计算流体力学软件Fluent研究翅片管换热器的换热和压降特性。田金颖[21]新型平板式热管散热器进行了数值模拟和实验研究。张树国[22]等为进一步提高空冷电站凝汽器的冷凝效率，优化扁平管翅片的物理结构，建立了蛇形翅片扁平管换热器及直翅片和带扰流孔直翅片扁平管换热器通道的三维物理数学模型，利用FLUENT软件进行数值计算。得出蛇形翅片扁平管翅片的物理结构存在进一步的优化空间的可能性,直翅片扁平管具有更优越的冷凝效率。据上文所述，大量的科研工作者对翅片管的导热性能做了相当细致的研究，取得了丰硕的成果。但是对于椭圆翅片开矩形孔导热管的研究至今尚处于空白阶段，特别是将这种翅片管应用于冷却塔的空冷器中，至今更是无人涉及，所以急需我们去解决。本文的主要研究任务就是利用Icepak软件模拟分析两排顺排圆翅片管的传热性能。

四．在分析中数学建模的运用

在电站直接空冷凝器的积灰检测与处理[23]，空冷凝器单个翅片流道，三角单元，整个空冷系统的热风回流问题的数值分析[24]，椭圆翅片管空冷器空气测流动与传热特性展开数值模拟研究[25]，通过对多个传热通道单元建立物理和数学模型，并进行数学分析，分析椭圆管翅片测流体流动和传热特性，给出翅片间距，翅片厚度，迎面风速和环境温度等因素对表面传热系数。流动阻力等的影响关系。在研究圆翅片管叉排[26]热管散热器的物理模型，并进行分析，分析了翅片厚度，翅片间距的排间距等散热器的结构参数对于散热器流动的摩擦系数和传热的传热热阻的影响，同时比较不同参数下的平均换热系数，为圆翅片叉排热管散热器的优化提供理论参考。数学建模在很大程度上帮助了了解运行的特征和影响的因素，推动了更好的去研究在设计中存在的问题。据上文所述，大量的科研工作者对翅片管的导热性能做了相当细致的研究，取得了丰硕的成果。但是对于椭圆翅片开矩形孔导热管的研究至今尚处于空白阶段，特别是将这种翅片管应用于冷却塔的空冷器中，至今更是无人涉及，所以急需我们去解决。本文的主要研究任务就是利用Icepak软件模拟分析两排顺排圆翅片管的传热性能。

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