环形翅片的分析模拟与优化设计

     1 前言

     资源短缺与节约能源已经成为当今世界最重视的问题之一。空气冷却器以其在节水与节能方面的优越性、建设运行费用低、设备的检维修容易与使用寿命长等优势,在化工、动力、冶金以及原子能等领域取代了部分水冷却器。随着空气冷却器的研究与发展的日益深入,其应用范围将越来越广。

    而改善冷却器结构与换热性能,是空气冷却器的重要的发展方向。翅片通过增大换热面积以达到强化传热的目的,是空气冷却器最为重要的部件。翅片管的几何参数包括管径、管壁、翅高、翅厚、翅片间距、管长等尺寸以及翅化比。这些参数对翅片管的传热、空气阻力以及空气冷却器的噪声和费用(成本费和操作费)均有直接影响。翅片管作为空冷器的核心,由若干个基本翅片单元组成,对翅片的优化设计就是要提高翅片的强化传热效率的同时降低成本。本文通过研究翅片基本传热单元结构参数的变化,对比分析其对强化效率和翅片体积的影响。

    2  物理模型的建立

    物理模型的各外形参数如图1,空气冷却器翅片基管的内外径分别为Ri和Ro(Ro同时也是翅片根径),翅片外圆半径Rf,翅片高度H=Rf-Ro,翅片间距为S和翅片厚度为D。翅根处的温度为t0=55e,周围冷却流体的温度为tf=35e,且t0>tf。翅片材料热导率Kf=45W /(m.K),翅片外表面有效膜传热系数hf=50W /(m2.K),hfc是包括外部污垢热阻在内的翅片外表面有效膜传热系数,由于外部污垢热阻较小,本文假设roy0,所以hfc=1/(1/hf+r)=hf。

    目标函数的确定如下:

     翅片体积最小:min(V)

    其中,

    等厚度(横截面为矩形)的环形翅片表面温度分度是求解贝塞尔微分方程,解出的温度场是贝塞尔函数和汉格尔函数[4, 5]。

    综上所述,根据给定的物理模型取翅片高度H和翅片厚度D为优化变量,分别分析变量变化的工程中对翅片效率与翅片体积的影响。