摘要：本文利用fluent軟件對500mm長的縱向翅片管束的單元結(jié)構(gòu)和圓形翅片管束的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過力能系數(shù)的比較，提出分離式縱向翅片熱管優(yōu)于分離式圓形翅片熱管，這為縱向翅片熱管的研究和應(yīng)用提供了一定的參考價值。
　　關(guān)鍵詞：分離式熱管論文，圓形翅片論文，縱向翅片，力能系數(shù)，數(shù)值模擬
　　
　　0前言
　　近些年，分離式熱管得到越來越廣泛的研究及應(yīng)用，其中圓形翅片熱管和螺旋形翅片在應(yīng)用中較多[][][]，但是這種換熱器的結(jié)構(gòu)阻力很大，而且還易積灰，而且，對于冷熱源溫差較小的情況下，如果采用這種緊湊式的換熱器，就會以很大的動力消耗為代價，很不節(jié)能，因此采用一種換熱性能較好的熱管換熱器結(jié)構(gòu)，對于熱管換熱器的廣泛使用有很大的幫助。對于縱向翅片管束，當(dāng)流體縱向流過管束時，對流體的阻力相對較小，但是縱向翅片熱管的研究及應(yīng)用很少，李向群[]僅對雙翅縱向翅片管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，多翅縱向翅片熱管的研究很少。因此，本文利用fluent對縱向翅片分離式熱管的蒸發(fā)段的單元結(jié)構(gòu)和分離式圓形翅片熱管的蒸發(fā)段的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并將它們的熱力性能作了對比。
　　1物理模型的建立
　　本文采用的管束結(jié)構(gòu)參數(shù)如下（管長500mm）：
　　（1） 圓形翅片管束
　　基管管徑：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片數(shù)目：217個;
　　翅片高度：12.5mm;
　　翅片厚度：0.5mm;
　　翅片間距：2.3mm;
　　排列方式：正三角形叉排；
　　橫向間距：52.5mm;
　　縱向間距：45.47mm;
　　橫向排數(shù)：43;
　　縱向排數(shù)：6；
　　材料：鋁；
　　（2） 縱向翅片管
　　基管管徑：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片數(shù)目：20個;
　　翅片高度：20mm;
　　翅片厚度：1.25mm;
　　排列方式：正三角形順排；
　　橫向間距：70mm;
　　縱向間距：70mm;
　　橫向排數(shù)：4;
　　縱向排數(shù)：1；
　　材料：鋁；
　　本文采用的單元模型如圖1（垂直紙面方向長度為500mm）和圖2（垂直紙面方向長度為1.15mm）。
　　
　　圖1縱向翅片管束單元截面
　　
　　圖2圓形翅片管束單元
　　2數(shù)學(xué)模型的建立
　　穩(wěn)態(tài)、不可壓縮、常物性條件下，空氣流經(jīng)管外翅片空間的流動傳熱問題的控制方程組[]為:
　　連續(xù)性方程：
　　
　　動量方程：
　　能量方程：
　　式中，u、v、w分別為x、y、z方向的速度；p為壓力；t為溫度；ρ、μ、cp、K分別為空氣密度、動力粘度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。
　　對縱向翅片管束，標(biāo)準(zhǔn)方程描述：
　　對圓形翅片管束，RNG描述：
　　式中，k、分別為紊動能、湍動能耗散率；表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；表示由于浮力產(chǎn)生的湍動能；表示可壓湍流中脈動擴(kuò)張的影響；、分別為和的普朗特?cái)?shù)；、、、、、為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；、分別為標(biāo)準(zhǔn)和RNG的湍流粘度；、分別為和的源項(xiàng)。
　　3假設(shè)
　　對縱向翅片管束和圓形翅片管束作如下假設(shè)：
　　(1)翅片材質(zhì)均勻。
　　(2)常物性。
　　(3)在翅片的全部表面上，與周圍流體的換熱強(qiáng)度相同。
　　(4)在翅片各處，周圍流體的溫度相同，為穩(wěn)定流狀態(tài)。
　　(5)忽略物體之間的相互輻射作用。
　　(6)與翅片的高度相比，其厚度很小。因此沿厚度方向的溫度梯度可以忽略不計(jì)，也就是說，只討論翅片一維導(dǎo)熱問題。
　　(7)翅片根部的溫度均勻。
　　(8)對于用焊接法或其他機(jī)械方法在管子上制成的翅片，不考慮它與母材之間的接觸熱阻。
　　(9)冷、熱源為溫差很小,換熱過程處于干工況。
　　(10)基于采用的為分離式熱管，因此假定熱管的傳熱特性不隨熱管外部流體流動和傳熱特性變化而變化。
　　3.2.3離散模型和邊界條件論文
　　（1）對于縱向翅片管的邊界條件設(shè)置：空氣入口為速度入口，溫度為307K；出口為壓力出口；假定基管內(nèi)為飽和蒸汽，基管壁面為定壁溫邊界條件，溫度為300K；其余邊為對稱邊界條件。采用k-ε湍流模型。翅片處于流場中的表面溫度分布由翅片導(dǎo)熱及其與管外空氣對流換熱耦合求解得到。
　　（2）對于圓形翅片管束的設(shè)置：為了避免出口回流的影響,對出口延長兩倍橫向間距。動量方程采用RNGk-ε模型。其數(shù)值模型的邊界條件設(shè)置如下:空氣的入口為速度入口，溫度為307K；出口為壓力出口；模型四周為對稱性邊界;假定基管內(nèi)為飽和蒸汽,基管壁面為定壁溫邊界條件，溫度為300K；其余邊為對稱邊界條件。翅片處于流場中的表面溫度分布由翅片導(dǎo)熱及其與管外空氣對流換熱耦合求解得到。
　　4計(jì)算結(jié)果及分析
　　本文主要研究熱管在低風(fēng)速下的換熱情況，因此，計(jì)算風(fēng)速選為2、3、4、5、6、7、8、9、10m/s。
　　（1） 單位質(zhì)量換熱量
　　圖3為兩單元結(jié)構(gòu)的單位金屬質(zhì)量換熱量的比較結(jié)果。由圖可知，縱向翅片管和圓形翅片管的單位質(zhì)量換熱量都跟隨入口速度的增大而增大，但是圓形翅片管束的換熱能力高于縱向翅片管束，并且上升的幅度明顯高于縱向翅片管束，在2-10m/s范圍內(nèi)，約為縱向翅片管束的3.8倍，這是因?yàn)閳A形翅片管束較緊湊，換熱能力高。
　　
　　圖3單位質(zhì)量金屬質(zhì)量換熱量
　　（2） 力能系數(shù)
　　單位溫差下，換熱面耗費(fèi)單位功率時所傳遞的熱流量，也稱力能系數(shù)E0：
　　E0=α/P0=(Cp•m•∆t/A•∆tm)/(∆P•u)=Cp•m•∆t/(∆P•ｕ•A•∆tm)
　　其中，α---平均對流換熱系數(shù)，w/m2•K;
　　P0----換熱面上流動阻力所消耗的功率，w/m2;
　　Cp----空氣比熱，1.01x103J/(Kg•K);
　　m----質(zhì)量流量，Kg/s;
　　∆t-----空氣進(jìn)出口溫差，∆t=tin-tout，⁰C;
　　∆tm----換熱溫差，∆tm=（tin-tout）/2-tguanbi，⁰C;
　　∆P----空氣進(jìn)出口壓差，Pa;
　　u----空氣進(jìn)出口平均流速，m/s;
　　A----換熱面積，m2;
　　力能系數(shù)E0數(shù)值越大，則意味著該換熱面在耗費(fèi)一定功率時的換熱量較大，因此可稱該換熱面的熱力性能較好。
　　圖4為兩種單元結(jié)構(gòu)的力能系數(shù)的比較結(jié)果。由圖可知，縱向翅片管和圓形翅片管的力能系數(shù)都跟隨入口速度的增大而減小，這是因?yàn)殡S風(fēng)速的增大，阻力增大的幅度大于平均對流換熱系數(shù)的幅度；縱向翅片管的力能系數(shù)約為圓形翅片管的3-4倍。
　　
　　圖4力能系數(shù)E0隨入口風(fēng)速的變化
　　5結(jié)論
　　本文對分離式通過對縱向翅片管束和圓形翅片管束的數(shù)值模擬結(jié)果對比，結(jié)果表明：縱向翅片管束的單位金屬質(zhì)量換熱量低于圓形翅片管束，但是從力能系數(shù)的比較結(jié)果來看，縱向翅片管束分離式熱管的單元結(jié)構(gòu)的熱力性能優(yōu)于圓形翅片分離式熱管的單元結(jié)構(gòu)，這體現(xiàn)了縱向翅片熱管優(yōu)越的綜合換熱能力，也為縱向翅片分離式熱管的研究及使用提供了一定的參考價值。