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廊载空调翅片管冷凝器空气侧传热数值模拟研究.pdf
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1、廊载空调翅片管冷凝器空气侧传热数值模拟研究吴冬梅关军陈嘉伦曹琳(南京理工大学,南京)摘要:机场环境对廊载空调换热器性能影响复杂,目前尚缺乏对其翅片管冷凝器空气侧流动传热特性影响的研究。本文采用计算流体力学()方法对廊载空调翅片管冷凝器空气侧流动传热特性进行数值模拟,综合考虑不同入口速度、不同翅片间距和不同管径对空气侧性能的影响,并结合换热器空气侧综合性能评价指标进行分析。结果表明,适当增大入口速度、减小翅片间距及增大热管直径可以有效提高换热性能,且换热器空气侧综合性能随着雷诺数的增大而提高。关键词:机场环境;翅片管换热器;数值模拟;传热特性;阻力特性吴冬梅,女,年生,硕士研究生曹琳(通信作者)
2、江苏省南京市玄武区孝陵卫南京理工大学能源与动力工程学院北楼 室 :收稿日期:引言翅片管换热器作为制冷系统中重要的末端设备,广泛应用于商业制冷(机舱供冷、商场供冷等),对其传热性能的研究具有十分重要的意义。目前,诸多学者对换热器在不同环境条件下的传热性能开展了大量研究。如 等人采用数值模拟和实验相结合的方法,研究分析了在稳态层流状态下,叉排排管翅片换热器管束内的流动特性;为了探究 在 范围内换热器的换热性能,等人采用模拟仿真与实验相结合的方法进行分析,结果表明,在 的范围内,波纹翅片角度对换热器的努塞尔数与阻力系数的影响最明显,而翅片高度、翅片间距、翅片宽度等因素的影响较小;等人对波纹翅片、百叶
3、窗翅片、平直翅片等翅片结构的换热器的传热性能进行研究分析,结果表明,在相同雷诺数的条件下,百叶窗翅片结构的换热器表面传热性能较好,传热因子和阻力系数都大于平直翅片与波纹翅片结构的换热器,种翅片结构类型中,百叶窗结构换热器单位容积和单位温差下换热性能最佳。综上所述,当前的研究围绕换热器在部分特定环境条件下传热特性和阻力特性建立了相关理论模型,并定量分析其特征规律。然而,考虑到廊载空调所在的机场环境条件复杂,目前尚缺乏针对其换热器在不同结构参数下的综合性能研究。因此,本文对机场廊载空调换热器空气侧换热性能进行研究,采用三维建模和 数值模拟方法,研究在不同典型工况条件下换热器空气侧换热性能的影响规律
4、,以期为实际的工程应用提供参考。研究方法 研究对象与几何模型本文选取某典型的机场廊载空调冷凝器作为研究对象,使用 软件按照:绘制冷凝器翅片管结构的三维模型,机组翅片换热器结构如图 所示。冷凝器空气侧使用的是较为典型的平直翅片管叉排结构,其结构中包含排、列热管和平直翅片。由于翅片管冷凝器在横向和纵向上几何图形都是相同的,且结构具有周期性和对称性,因此选取翅片管冷凝器中部分结构作为研究模型。为了避免流体在流场中产生回流从而影响模型计算的准确性,在绘制模型时将进口流场和出口流场分别延长管径的倍和倍。平直板叉排翅片管的几何参数如图、所示。图机组翅片换热器结构模拟计算时,为排除其他干扰因素且能够保证获取
5、计算数据的真实有效,对本文所建立的翅片管换热器流体计算域的物理模型做如下假设:)默认空气在流场中为三维黏性不可压缩湍流流动,且在流场中为定常流动;)翅片管换热器空气侧为强制换热过程,整个过程为一个稳态传热过程;)由于只考虑翅片管冷凝器空气侧换热,因此将热管壁温设置成恒温;)由于结构的特殊性,为防止回流,适当延长进出口流道且设置成绝热边界条件。边界条件及控制方程本文使用 进行求解,空气入口边界条件选择速度入口();空气出口选择压力出口();模型内壁面及内部翅片设置为标准壁面函数,无滑移边界;翅片与热管计算域沿轴方向设置为对称边界条件(),沿轴方向设置为周期性边界条件();采用三维、双精度、稳态、
6、压力基()求解器;压力速度耦合选用 半隐式算法和 !离散化方法进行求解;设置自由落体加速度为 ,同时开启能量方程;流体流动模型设为湍流,选用标准模型;求解方程中变量都采用二阶迎风格式,压力、体积力、密度、动量、湍流动能、湍流耗散暖通空调 年第 卷增刊 空调制冷率、能量、离散坐标等变量的松弛因子分别设置为、;动量方程、连续性方程、能量方程的收敛残差分别设置为、,其余保持默认;此外对速度出口及温度出口进行监控。流场独立性及模型验证为衡量平直翅片中流体流场的均匀性,通常使用平均 摩擦因子验证网格无关性,摩擦因子定义式为()()式中 为进口空气侧压力,;为出口空气侧压力,;为空气密度,;为空气流场的平
7、均速度,;和分别为管径和翅片长度,。为更好地描述近壁面流体流动特性,在热管和翅片表面设置大小为 的边界层网格。随着流场网格尺寸的变化,平均 摩擦因子的变化幅度小于,说明模型的数值解已经独立于网格。不同结构参数模型的独立网格数如表所示。表不同结构网格无关性验证热管直径 翅片间距 网格单元数 本文采用 湍流模型计算翅片间的流场,计算中涉及的翅片管冷凝器空气侧模拟计算公式包括:()()()()()()式()()中为最小流通界面处空气平均流速,;为空气黏度,;为努塞尔数;为管外空气侧对流传热系数,();为空气导热系数,();为对数传热温差,;、分别为壁面与进、出口空气的温差,;为总传热量,;为空气侧传
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