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环形翅片管自然对流传热特性的数值模拟研究
摘要
本文研究了环形翅片管自然对流传热特性的数值模拟。通过建立三维数值模型和运用计算流体力学方法，研究了不同工况下环形翅片管的温度分布、对流换热系数和热传导率等热力学参数的变化规律。结果表明，环形翅片管的热传导性能较好，对流传热效果较为明显，且在一定的流动速度范围内，对流传热系数随着流速的增加而增加。本研究结果的具有重要的理论和应用价值，相信对环形翅片管的优化设计和工程应用具有较好的参考价值。
关键词：环形翅片管；自然对流传热；计算流体力学；传热特性；数值模拟
Abstract
Thispaperstudiesthenaturalconvectionheattransfercharacteristicsofannularfinnedtubebynumericalsimulation.Byestablishingathree-dimensionalnumericalmodelandusingcomputationalfluiddynamicsmethod,thetemperaturedistribution,convectiveheattransfercoefficientandthermalconductivityofannularfinnedtubeunderdifferentworkingconditionswerestudied.Theresultsshowthatthethermalconductivityofannularfinnedtubeisgood,theconvectiveheattransfereffectisobvious,andtheconvectiveheattransfercoefficientincreaseswiththeincreaseofflowvelocitywithinacertainrangeofflowvelocity.Theresultsofthisstudyhaveimportanttheoreticalandpracticalvalue,whichcanprovidereferencefortheoptimizationofannularfinnedtubedesignandengineeringapplication.
Keywords:annularfinnedtube;naturalconvectionheattransfer;computationalfluiddynamics;heattransfercharacteristics;numericalsimulation
正文
一、引言
环形翅片管是一种常见的传热器件，在化工、电力、航空航天等领域被广泛应用。其独特的结构和形状使得其具有较好的换热性能，特别是在高温、高压、高速流动条件下更为明显。因此，研究环形翅片管的自然对流传热特性对于实际工程应用具有重要意义。
目前，大多数研究都是通过实验手段来进行环形翅片管的热力学性能研究，但实验过程时间长、成本高，不能很好地满足工程实际需要。因此，建立数值模型进行环形翅片管的数值模拟是一个更为有效和经济的方法，可以较为准确地预测环形翅片管在不同工况下的传热特性和流场分布规律。
二、建模和模拟方法
（一）建模
本文建立了一个三维的环形翅片管数值模型，如图1所示。环形翅片管由内管和外管组成，通过连接在一起的翅片形成了一个环形空间，流体在内管和外管之间流动。
图1环形翅片管三维数值模型
（二）数值模拟方法
基于上述计算模型，采用计算流体力学（CFD）方法，通过Fluent软件来对其进行数值模拟。在求解过程中，使用了半隐式方法(Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations,SIMPLE)算法，用于求解流体的速度场和压力场。
三、结果分析和讨论
（一）温度分布
在不同的工况下，环形翅片管内部的温度场和对流传热系数存在一定的差异。例如，在环形翅片管内部的较低流速工况下（如Re=500），其内部的温度分布具有明显的对称性，如图2(a)所示；而在高流速工况下（如Re=800），温度分布随着流速的增加出现了相对于管径的对称性破缺现象，如图2(b)所示。
（二）对流传热系数
同样，在不同的工况下，环形翅片管内的对流传热系数也存在差异。从图3中可以看出，在低流速工况下，对流传热系数随着流速的增加而逐渐增加，但当流速大于一定值后，对流传热系数变化的趋势不明显。因此在工程应用中，需要考虑不同工况下的液体流速对于环形翅片管的影响。
（三）热传导率
从图4中可以看出，环形翅片管的热传导率随着流速的增加而逐渐减小，这表明在高流速条件下，环形翅片管内部的对流换热效率比热传导效率更显著。
图2环形翅片管内部温度分布图
（a）R