多孔式翅片传热与流阻特性分析

　　1 引 言

　　板翅式换热器具有传热效率高、结构紧凑以及适应性大等特点，广泛应用于空分、石化、制冷以及航空航天等领域。翅片是板翅式换热器的基本元件，传热过程主要通过翅片热传导以及翅片与流体之间的对流换热来完成，因此，翅片的表面特性是准确设计板翅式换热器的基础。自20世纪四五十年代以来，国内外学者对各类典型翅片(平直式、多孔式、锯齿式以及波纹式等)的表面特性进行了广泛的实验和理论研究^[1-4]。近年来，随着计算机技术的发展，基于CFD的数值仿真技术已广泛应用于各类翅片表面性能的研究^[5-8]。

　　多孔式翅片是在平直式翅片的基础上对翅片冲孔加工而成，翅片开孔可使热边界层不断破裂，从而提高其传热性能，同时也可促进流体间的横向混合，多用于导流板及流体中夹杂着颗粒或相变换热的场合。从已有的文献可知，CFD数值模拟技术主要应用于平直式、锯齿式以及波纹式翅片的研究，对多孔式翅片表面性能研究较少，主要停留在实验和理论分析阶段。本文结合CFD数值模拟技术，系统分析了不同孔口因素对多孔式翅片表面性能的影响，研究结果可望为多孔式翅片表面性能的提高提供参考。

　　2 模型与参数定义

　　2.1 物理模型

　　典型的多孔式翅片结构如图1所示，相关结构参数包括翅片长度L、翅片厚度δ、翅片间距S、翅片高度H、孔径d以及孔隙率σ等参数。

　　2.2 数值模型

　　采用商业软件Fluent进行数值模拟。相关设置包括: 进出口边界条件选取质量流量进口和压力出口; 压力-速度耦合求解选用SIMPLEC方法; 流体流动若为层流-湍流过渡状态，采用SST过渡模型，若处于完全湍流状态，则选用标准K-eplison模型; 质量守恒方程和动量守恒方程收敛于10^-3，能量守恒方程收敛于10^-4。本模拟的流动介质为空气，翅片材料为铝，相关物性参数如表1所示。

　　为便于模拟，对模型做如下假设:

　　(1) 各翅片通道相同，左右两侧壁面设为周期性边界，上下壁面设为恒温壁面，温度为353K，初始流体进出口温度为293K，如图2所示;

　　(2) 介质为稳态流动，忽略辐射换热，模拟过程中介质部分物性参数恒定;

　　(3) 模型壁面呈理想状态，即翅片结构不存在毛刺和黏附物等影响介质流动的因素。

　　3 结果与讨论

　　评价多孔式翅片流动及传热性能主要参数分别为f因子(摩擦因子)和j因子(传热因子)。其中，f因子可通过式(1)获得: