摘 要

翅片管在许多热交换设备中都起到关键作用,翅片管传热性能的好坏与否能够直接影响到换热设备的性能、造价、经济效益、适用条件、适用环境等各方面的影响。因此，本文针对圆翅片椭圆管类型的翅片管进行深度研究。本文通过从椭圆基管的长半轴和短半轴之比K值、圆翅片在单位长度椭圆基管上的间距S、翅片的厚度、圆翅片的直径h、Re数等方面进行分析讨论。

本文基于Icepak软件进行分析。通过云图所呈现的温度场、速度场等结果，进而分析流体在管道内传热和流动情况。在本模拟中，其主要参数为：外界环境选取为空气，温度为28℃,基管长度为100mm，基管厚度为1mm。主要研究内容为：

首先从基管出发，选取不同的椭圆管长半轴与短半轴之比K值,K值分别为2、4、6时,通过数值计算和云图分析,K值的变化对翅片管的传热和流动影响较大,在综合表现下,当K值为2时，性能效果最好。其次从翅片出发，分别分析翅片不同的间距、高度、单个翅片的厚度对翅片管传热的影响，同样，通过数值计算和模拟分析对不同情况下的翅片管进行传热和流动的分析。

研究得出结论为：随着雷诺数增大，换热性能变大；椭圆管长短轴之比K值越大，管道换热能力加强，管道内流动阻力增大；翅片间距变小时，换热能力增大，空气在翅片管外部流动阻力变大；翅片高度变大时，其换热能力也变大；翅片厚度对其性能影响不大。

关键词：ANSYS Icepak 翅片管 椭圆管 圆翅片 热仿真模拟

Heat transfer and flow analys is of oval tubes with round fins

Abstract

Finned tube plays a key role in many heat exchange equipment. The heat transfer performance of finned tube can directly affect the performance, cost, economic benefits, applicable conditions, applicable environment and other aspects of heat exchange equipment. Therefore, this paper makes an in-depth study on the fin tube of the type of round fin oval tube. In this paper, the ratio K of the long half axis to the short half axis of the elliptic base tube, the spacing S of the circle fins on the elliptic base tube per unit length, the thickness of the fins, the diameter h of the circle fins, and the number of Re are analyzed and discussed

This paper is based on ANSYS Icepak thermal simulation software analysis. Firstly, the model is established, then the model is meshed, and finally, the calculation is carried out and the results of cloud image analysis are obtained, so as to analyze the heat transfer flow. In this simulation, the main parameters for: external environment selection for air, temperature for 28 ℃, the pressure of 101.325 kpa, base tube length is 100 mm, base tube thickness is 1 mm. The main research contents are as follows:

Starting from the base tube, the ratio K value between the long half axis and the short half axis of different oval tubes was selected. When K value was 2, 4 and 6, respectively, numerical calculation and cloud chart analysis showed that the change of K value had a great influence on heat transfer and flow of finned tube. In a comprehensive performance, when K value was 2, the performance effect was the best. Secondly, the influence of the fin spacing, height and the thickness of a single fin on the heat transfer of the fin tube was analyzed from the fin. Similarly, the heat transfer and flow of the fin tube under different conditions were analyzed by numerical calculation and simulation analysis.

Key Words:ANSYS Icepak; Finned tube; Oval tube; Circular fin; Thermal simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2翅片管的特点 1

1.3研究进程 2

1.4研究意义及前景 3

第二章 圆翅片椭圆管的模型介绍 4

2.1物理模型设计 4

2.1.1几何模型 4

2.1.2模型物理描述 5

2.2数值模型的设计 6

2.2.1模型进出口条件的设定 6

2.2.2流动假设 7

2.3参数设定与模型的建立 7

2.3.1建模步骤 8

2.3.2模型的网格划分 12

2.3.3求解计算 13

2.3.4后显示处理 14

2.3.5ANSYS Icepak热仿真流程表 15

2.4本章小结 15

第三章 数值模拟结果与讨论 16

3.1 椭圆管长短轴K之比对性能的影响 16

3.1.1 利用数据分析椭圆管长短轴K之比对翅片管散热器的散热性能的影响 16

3.1.3分析结果 19

3.2翅片间距S对翅片管性能的影响 20

3.2.2云图分析翅片间距对翅片管热交换器性能的影响 21

3.2.3分析结果 23

3.3翅片厚度对翅片管换热器性能的影响 23

3.3.1利用数据分析椭圆管长短轴K之比对翅片管散热器的散热性能的影响 23

3.3.2云图分析翅片厚度对翅片热交换器性能的影响 24

3.3分析结果 26

3.4翅片高度h对翅片管性能的印象 27

3.4.1 利用数据分析翅片管不同的翅片高度h对其翅片管散热器的散热性能的影响 27

3.4.2 云图分析翅片的高度对翅片热交换器的散热性能的影响 27

3.4.3分析结果 29

3.6 本章小结 30

第四章 模拟结论 31

参考文献 32

致谢 35

第一章 绪论

1.1课题研究背景

对于很多大型工厂，在初建厂投资时，换热设备占很大比重，并且热交换器的性能好坏在很大程度上决定了工厂资源的利用率，所以其稳定性等各方面性能影响直接影响到产品的产量和成本。换热设备在石化工业、冶金工业、能源动力行业、食品工业、制冷工程、建筑工业等许多领域中使用较多并且不可或缺的换热设备^[1]，热交换器在换热过程中获得的热量或者冷量用于提供给工业实际生产使用，目前已经成为了许多行业中必不可少的一部分^[2]。带翅片的管壳热交换器是热交换器的一种形式，其结构相对来说简单紧凑，因为翅片扩展了其传热面积，所以传热效率相比于其他类型热交换器较高，并且非常实用、易于制造、成本不高，所以一直以来全世界许多专家学者都密切关注着带翅片的管壳热交换器消息^[3]。带翅片的管壳热交换器的主要换热元件是翅片管，翅片管的主要组成部分是基管和翅片，一台带翅片的管壳热交换器的组成可以由单根或者多根翅片管^[4]。对于带翅片的管壳热交换器而言，管道好比热交换器的筋脉，是热交换器的重要组成部分。所以，流体在管道内部传热与流动的分析显得尤为重要。

1.2翅片管的特点

翅片管常应用于带翅片的管壳热交换器中，此热交换器为较为常见的一种，主要用于热交换器一侧或两侧需要强化换热的情况下。由于在椭圆光管的表面加装翅片，不仅传热表面积增大，而且流体的流动状态也可以被促进，因此翅片管的传热能力能够比光管大大增强并且在单位面积上传热面积也加大， 因此，当翅片管与光管需要完成相同的热负荷任务时，翅片管可以有效的减少管子的数量，从而相应减小热交换器壳体的直径或高度使热交换器的壳体结构变得更加紧凑，进而节约金属适用。由于翅片的材料可以与基管的材料不同，所以在选择材料这一方面，能够更加合理，并且在一些特殊情况下，当需要对热交换器的管子进行严格要求时，翅片可以采用廉价易得的金属，从而降低成本，提高热交换器的经济效益。当热交换器采用了翅片管，可以有效的降低管内的介质与管子壁面的温差，使翅片管表面结垢问题得到缓解。在带翅片的管壳热交换器用做空冷器时，与光管相比，虽然流阻大，造价高，并且体积与水冷器相比也要大得多，但翅片管能够节省工业用水量，进而避免了工业用水排放所带来的环境污染^[5]。

圆管热交换器是目前最流行的传统壳管式热交换器，但随着现代工业设备的技术的快速提高，工厂对所需求的热量要求越来越大。因此，在热交换器的研究中强化传热技术变得更加重要。同时在椭圆管热交换器壳程内，椭圆管热交换器取消弓形折流板，所以不会出现的弓形折流板中常见的死区问题，因此换热管内部不易结垢，具有长期的换热效益^[6]。并且，椭圆管相对于圆管来说，在热交换器中其空气流动阻力、换热系数、效率等各项性能方面都比较好，所以将椭圆管用于热交换器上时，其较低的风阻、优异的传热性能往往能够带来更大的经济效益，并且椭圆管还可以弥补一些常规圆管所存在的一些普遍问题，如风阻问题、传热问题等。椭圆管技术应用于各种热交换器中可大幅削减循环风系统的空气输送动力从而降低系统能耗^[7]。椭圆管由于其扁平的管道可以形成比较强的流体流动，对于相同迎风面积的两个热交换器，在同等风量条件下，在相同管中心距时，可增加管间净流通面。圆管经过挤压成为椭圆管，管内面积，减小净面风速，同时还可以有效减小椭圆管背风侧的扰流，以上的2个因素都可减小风侧阻力^[8]。

1.3研究进程

圆管和椭圆管是目前研究管壳式热交换器的两大重点。许多国内外的研究人员和学者都对椭圆管和圆管进行研究，并且也做出了大量的对比。到目前为止，其进程大致基本如下：

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