强化传热之横向翅片

    影响流体传热的因素很多，如流体的运动状态、换热表面的几何形状、流体的物理性质等。工业上为了强化流体之间的换热，通常采用提高流速和改变换热表面的形状来实现换热的强化，该种做法就是强化换热。之前我们做过一个U型管强化传热的案例（可点击文末"阅读原文"查看），今天我们继续做一个横向翅片的案例。

    为了简化计算，我们建立如下二维平面模型，流道宽度10mm，长度200mm，底部有一块加热板，厚度1mm，底面为100℃恒温面，其余壁面为绝热面。为进行对比分析，对另外一个相同尺寸的流动内部增加了5个高1mm，长20mm的翅片。

图1 流道模型尺寸

    流道介质为空气，入口温度30℃，速度5m/s，流态为湍流，我们选择标准k-e模型；入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口。加热板材质为铝，所有材料的物性参数均取默认值。需要指出的是，实际工程计算时，需要取真实值，否则就没有说服力了。简单地进行网格划分，对壁面附近网格进行细化。

图2 流道网格划分

    流道内温度、速度和压力分布如下图。

温度[℃]

速度[m/s]

压力[Pa]

    我们读取通过加热面的热功率，也就是无翅片时空气吸收的热功率为768.35W。

    流道进出口温度分别为30℃和42.46℃，温升12.46℃，据此可以求得流道的数平均温差

    通过壁面的传热量为768.35W，而壁面（固液交界面）总换热面积为0.02m2，因此，总的传热系数为：

    流道进出口压力分别为15.48Pa和0Pa，因此总压降为15.48Pa。

    流道内温度、速度和压力分布如下图。

温度[℃]

速度[m/s]

压力[Pa]

    我们读取通过加热面的热功率，也就是无翅片时空气吸收的热功率为862.57W。

    流道进出口温度分别为30℃和43.99℃，温升13.99℃，据此可以求得流道的数平均温差

    通过壁面的传热量为862.57W，而壁面（固液交界面）总换热面积为0.0209m2（翅片增加了换热面积），因此，总的传热系数为：

     流道进出口压力分别为24.67Pa和0Pa，因此总压降为24.67Pa。

    根据以上结果可以看出，增加横向翅片后流道的换热量增加了12.3%，与此同时压损增加了59.37%。我们注意到，虽然换热量增加，但是计算的换热系数却有所降低，横向翅片的作用主要就是增加换热面积了 。我们观察翅片周围的流线图（如下），可以看到空气流过阶梯，在背风向存在回流，而且主流线也在翅片作用下发生了弯曲，这在很大程度上增加了压力损失。而且，我也认为涡流位置的速度应该相对较小，这个位置对换热系数起到负作用，下次我们做一个纵向翅片的案例。