摘要：本文利用fluent軟件對500mm長的縱向翅片管束的單元結構和圓形翅片管束的單元結構進行了三維數值模擬，通過力能系數的比較，提出分離式縱向翅片熱管優于分離式圓形翅片熱管，這為縱向翅片熱管的研究和應用提供了一定的參考價值。
　　關鍵詞：分離式熱管論文，圓形翅片論文，縱向翅片，力能系數，數值模擬
　　
　　0前言
　　近些年，分離式熱管得到越來越廣泛的研究及應用，其中圓形翅片熱管和螺旋形翅片在應用中較多[][][]，但是這種換熱器的結構阻力很大，而且還易積灰，而且，對于冷熱源溫差較小的情況下，如果采用這種緊湊式的換熱器，就會以很大的動力消耗為代價，很不節能，因此采用一種換熱性能較好的熱管換熱器結構，對于熱管換熱器的廣泛使用有很大的幫助。對于縱向翅片管束，當流體縱向流過管束時，對流體的阻力相對較小，但是縱向翅片熱管的研究及應用很少，李向群[]僅對雙翅縱向翅片管進行了實驗研究，多翅縱向翅片熱管的研究很少。因此，本文利用fluent對縱向翅片分離式熱管的蒸發段的單元結構和分離式圓形翅片熱管的蒸發段的單元結構進行了三維數值模擬，并將它們的熱力性能作了對比。
　　1物理模型的建立
　　本文采用的管束結構參數如下（管長500mm）：
　　（1） 圓形翅片管束
　　基管管徑：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片數目：217個;
　　翅片高度：12.5mm;
　　翅片厚度：0.5mm;
　　翅片間距：2.3mm;
　　排列方式：正三角形叉排；
　　橫向間距：52.5mm;
　　縱向間距：45.47mm;
　　橫向排數：43;
　　縱向排數：6；
　　材料：鋁；
　　（2） 縱向翅片管
　　基管管徑：25.4mm;
　　基管厚度：1.5mm;
　　翅片數目：20個;
　　翅片高度：20mm;
　　翅片厚度：1.25mm;
　　排列方式：正三角形順排；
　　橫向間距：70mm;
　　縱向間距：70mm;
　　橫向排數：4;
　　縱向排數：1；
　　材料：鋁；
　　本文采用的單元模型如圖1（垂直紙面方向長度為500mm）和圖2（垂直紙面方向長度為1.15mm）。
　　
　　圖1縱向翅片管束單元截面
　　
　　圖2圓形翅片管束單元
　　2數學模型的建立
　　穩態、不可壓縮、常物性條件下，空氣流經管外翅片空間的流動傳熱問題的控制方程組[]為:
　　連續性方程：
　　
　　動量方程：
　　能量方程：
　　式中，u、v、w分別為x、y、z方向的速度；p為壓力；t為溫度；ρ、μ、cp、K分別為空氣密度、動力粘度、比熱和導熱系數。
　　對縱向翅片管束，標準方程描述：
　　對圓形翅片管束，RNG描述：
　　式中，k、分別為紊動能、湍動能耗散率；表示由平均速度梯度產生的湍動能；表示由于浮力產生的湍動能；表示可壓湍流中脈動擴張的影響；、分別為和的普朗特數；、、、、、為經驗常數；、分別為標準和RNG的湍流粘度；、分別為和的源項。
　　3假設
　　對縱向翅片管束和圓形翅片管束作如下假設：
　　(1)翅片材質均勻。
　　(2)常物性。
　　(3)在翅片的全部表面上，與周圍流體的換熱強度相同。
　　(4)在翅片各處，周圍流體的溫度相同，為穩定流狀態。
　　(5)忽略物體之間的相互輻射作用。
　　(6)與翅片的高度相比，其厚度很小。因此沿厚度方向的溫度梯度可以忽略不計，也就是說，只討論翅片一維導熱問題。
　　(7)翅片根部的溫度均勻。
　　(8)對于用焊接法或其他機械方法在管子上制成的翅片，不考慮它與母材之間的接觸熱阻。
　　(9)冷、熱源為溫差很小,換熱過程處于干工況。
　　(10)基于采用的為分離式熱管，因此假定熱管的傳熱特性不隨熱管外部流體流動和傳熱特性變化而變化。
　　3.2.3離散模型和邊界條件論文
　　（1）對于縱向翅片管的邊界條件設置：空氣入口為速度入口，溫度為307K；出口為壓力出口；假定基管內為飽和蒸汽，基管壁面為定壁溫邊界條件，溫度為300K；其余邊為對稱邊界條件。采用k-ε湍流模型。翅片處于流場中的表面溫度分布由翅片導熱及其與管外空氣對流換熱耦合求解得到。
　　（2）對于圓形翅片管束的設置：為了避免出口回流的影響,對出口延長兩倍橫向間距。動量方程采用RNGk-ε模型。其數值模型的邊界條件設置如下:空氣的入口為速度入口，溫度為307K；出口為壓力出口；模型四周為對稱性邊界;假定基管內為飽和蒸汽,基管壁面為定壁溫邊界條件，溫度為300K；其余邊為對稱邊界條件。翅片處于流場中的表面溫度分布由翅片導熱及其與管外空氣對流換熱耦合求解得到。
　　4計算結果及分析
　　本文主要研究熱管在低風速下的換熱情況，因此，計算風速選為2、3、4、5、6、7、8、9、10m/s。
　　（1） 單位質量換熱量
　　圖3為兩單元結構的單位金屬質量換熱量的比較結果。由圖可知，縱向翅片管和圓形翅片管的單位質量換熱量都跟隨入口速度的增大而增大，但是圓形翅片管束的換熱能力高于縱向翅片管束，并且上升的幅度明顯高于縱向翅片管束，在2-10m/s范圍內，約為縱向翅片管束的3.8倍，這是因為圓形翅片管束較緊湊，換熱能力高。
　　
　　圖3單位質量金屬質量換熱量
　　（2） 力能系數
　　單位溫差下，換熱面耗費單位功率時所傳遞的熱流量，也稱力能系數E0：
　　E0=α/P0=(Cp•m•∆t/A•∆tm)/(∆P•u)=Cp•m•∆t/(∆P•ｕ•A•∆tm)
　　其中，α---平均對流換熱系數，w/m2•K;
　　P0----換熱面上流動阻力所消耗的功率，w/m2;
　　Cp----空氣比熱，1.01x103J/(Kg•K);
　　m----質量流量，Kg/s;
　　∆t-----空氣進出口溫差，∆t=tin-tout，⁰C;
　　∆tm----換熱溫差，∆tm=（tin-tout）/2-tguanbi，⁰C;
　　∆P----空氣進出口壓差，Pa;
　　u----空氣進出口平均流速，m/s;
　　A----換熱面積，m2;
　　力能系數E0數值越大，則意味著該換熱面在耗費一定功率時的換熱量較大，因此可稱該換熱面的熱力性能較好。
　　圖4為兩種單元結構的力能系數的比較結果。由圖可知，縱向翅片管和圓形翅片管的力能系數都跟隨入口速度的增大而減小，這是因為隨風速的增大，阻力增大的幅度大于平均對流換熱系數的幅度；縱向翅片管的力能系數約為圓形翅片管的3-4倍。
　　
　　圖4力能系數E0隨入口風速的變化
　　5結論
　　本文對分離式通過對縱向翅片管束和圓形翅片管束的數值模擬結果對比，結果表明：縱向翅片管束的單位金屬質量換熱量低于圓形翅片管束，但是從力能系數的比較結果來看，縱向翅片管束分離式熱管的單元結構的熱力性能優于圓形翅片分離式熱管的單元結構，這體現了縱向翅片熱管優越的綜合換熱能力，也為縱向翅片分離式熱管的研究及使用提供了一定的參考價值。