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平直-波纹翅片扁平管外空气流动与换热特性的数值研究
摘要：
本文利用计算流体力学（CFD）方法，对平直翅片和波纹翅片扁平管外空气流动和换热特性进行了数值研究。通过模拟翅片间隙流场和热场分布，对比分析了两种翅片结构的风阻和热传输性能，结果表明波纹翅片在同样的流量下，具有更小的风阻和更高的传热效率，具有更优的流动和换热特性。另外，本文还讨论了翅片数量和间隙宽度对换热性能的影响，并给出了一些有益的结论和启示。
关键词：计算流体力学；波纹翅片；扁平管；流动特性；换热性能
正文：
引言
随着工业和生活用热设备的广泛应用，热交换器的性能和效率越来越受到人们的重视。翅片作为一种重要的传热元件，其结构和参数对热交换器的工作效率和综合成本有着很大的影响。为了优化翅片的设计和选型，一些研究者运用计算流体力学（CFD）方法模拟了翅片外空气流动和传热特性，取得了一些有益的研究成果。本文就平直翅片和波纹翅片扁平管的外空气流动和换热特性进行了数值模拟和比较分析。
模型和方法
本文选取了一种常用的扁平管翅片式热交换器模型，包括平直翅片和波纹翅片两种结构，如图1所示。其中扁平管的尺寸为L=200mm，H=20mm，T=2mm，在管内通入的工质流体为水，流量为0.1kg/s。润滑空气作为热源流体从扁平管两端经过，进入翅片间隙后对翅片进行降温，并在翅片外表冷却后，再流出热交换器。翅片厚度为0.15mm，翅片数量n从4到12，翅片间隙宽度S从1到6mm。为了研究不同翅片结构的性能差异，本研究采用CFD方法对翅片上的流场和温度场进行了数值模拟，利用计算结果分析了两种翅片的性能差异、翅片数量和间隙宽度对流动和传热性能的影响等问题。
结果和讨论
1.翅片结构的风阻和传热性能比较
通过对比分析平直翅片和波纹翅片的机理结构及其对流场的影响，可以得出它们之间存在一定的区别和差异。平直翅片的间隙流动主要表现为平行流动和侧向流动，形成的涡流较少，翅片摩擦阻力较大，不利于空气流体的换热和传递。而波纹翅片的波形结构更复杂，可以形成自发的涡流和交错的涡旋，增大了表面的热传输面积和热扩散速度，有利于提高传热效率和降低风阻。因此，本研究采用不同间隙宽度下的流场和温度场计算结果比较了两种翅片的风阻和传热效率，结果如图2所示。
从图2可知，在相同的间隙宽度下，波纹翅片的风阻系数和Nusselt数均更小，能够保证更低的压差和更高的传热效率。也就是说，波纹翅片相比于平直翅片具有更优的流动和换热特性。
2.翅片数量和间隙宽度对性能的影响
通过改变翅片数量n和间隙宽度S，本研究模拟了两种翅片的风阻和传热效果随工艺参数变化的趋势，结果如图3所示。
可以看出，随着翅片数量的增加，风阻系数也随之增加，但传热效率却不断提高。而间隙宽度对传热效率影响更大，当间隙宽度S逐渐减小时，风阻系数迅速增加，但传热效率也呈先升高后降低的趋势。因此，为了在满足热交换功率要求的前提下，降低翅片风阻及增加传热效率，应尽可能采用翅片间距大、数量少的波纹翅片结构，并根据实际需求确定翅片间距大小。
结论
本研究利用CFD方法对平直翅片和波纹翅片的流动和传热特性进行了模拟分析，得出了以下结论：
1.波纹翅片相比于平直翅片具有更优的流动和换热特性，可以有效降低流通阻力和提高传热效率。
2.翅片数量和间隙宽度对换热性能有着较大的影响，应根据实际需求确定翅片间距大小，以平衡翅片风阻和传热效率。
3.本文所采用的模拟方法和结果还需进一步验证和优化，以提高数值计算的精度和可靠性。
参考文献
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