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基于计算流体动力学(CFD)的糙面太阳空气加热器管道传热及流体流动分析

Prashant Baredar1＊Shankar kumar2吉里(Ajeet kumar Giri)说2和Jitendra库马尔3.

1Maulana Ajad国立理工学院能源部，博帕尔，462 051印度。

2拉克希米·纳拉扬理工学院机械工程系，印度博帕尔462 021。

3.NRI信息科学与技术研究所机械工程系，博帕尔，462 021印度。

DOI:http://dx.doi.org/10.12944/CWE.5.2.09

本研究利用计算流体动力学软件(Fluent 6.3.26 Solver)评估了安装在主壁面(太阳能板)上的倒置u型紊流器粗肋矩形管道内的传热和流体流动行为。本文采用CFD软件对强化湍流换热进行了数值模拟。在本研究中，采用雷诺平均Navier-Stokes分析作为一种数值技术，并将k-e湍流模型与近壁处理作为一种湍流模型。通过与已有实验数据的比较，验证了该方法的有效性。选取雷诺数、高螺距比和不同螺距作为设计变量。雷诺数从3800到18000;扰流器高度与管道水力平均直径之比为，e/Dh = 0.0186 ~ 0.03986 (Dh = 37.63 mm, e = 0.7 ~ 1.5 mm)，扰流器节高比为，p/e = 6.67 ~ 57.14 (p = 10 ~ 40 mm)。在整个分析过程中，扰流器的迎角a = 90o保持不变。讨论了粗糙度参数对努塞尔数和摩擦因数的影响，并分析了获得最佳性能的条件。


计算流体动力学;传热

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王志强，王志强，王志强，等。基于计算流体力学(CFD)的太阳空气加热器风管传热与流体流动分析。Curr World environment 2010;5(2):279-285http://dx.doi.org/10.12944/CWE.5.2.09

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王志强，王志强，王志强，等。基于计算流体力学(CFD)的太阳空气加热器风管传热与流体流动分析。中国环境科学(英文版);5(2):279-285。可以从://www.a-i-l-s-a.com?p=285/

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收到: 2010-04-12
接受: 2010-06-17

介绍

本文尝试以CFD为基础，对带有人工粗糙度的粗糙管道的太阳能空气加热器的流体流动和传热特性进行分析。在CFD分析中发现了旋转运动、流体分离和再附着的综合作用是导致换热速率增加的主要原因。相对粗糙度(e/D)和相对圆弧角(a/90)的组合均随雷诺数的增加而增大，摩擦因数随雷诺数的增加而减小。CFD结果也得到了对光滑管道和不同的CFD模型进行了验证结果与Dittus-Boelter pirical比较光滑管道的关系。在所有的模型中使用k -ε模型(RNG)的结果具有很好的一致性。
命名法

H太阳能空气加热器风管高度，mm

太阳能空气加热器管的宽度，mm

Dh通道液压直径，mm

p,毫米

e粗糙度高度，mm

e/D相对粗糙度比

p/e相对粗糙度间距

νr努塞尔数用于粗糙风管

ν年代努塞尔数为光滑管道

fr粗糙管道的摩擦系数

f年代光滑管道的摩擦系数

公关普朗特数

再保险雷诺数

h对流换热系数Wm－2K1

k导热系数，Wm－1K－1

L试验段长度，mm

p静压，Pa

u平均速度，ms－1

u '我波动速度分量，m s－1

α热扩散系数(m2/秒)

β体积膨胀系数(1/K)

运动粘度，kg s－1米－1

µt涡动粘度，kg s－1米－1

雷诺应力，m2年代－2

w壁剪切应力，Pa

ω湍流比耗散率，s－1

ε湍流耗散率，m2年代3

ρ密度，kg m3

考虑的太阳能空气加热器管道的细节
根据ASHARE 93-77的建议，系统和运行参数已被考虑到目前的调查。太阳能风管的求解领域是室内太阳能空气加热器。图1显示了太阳能风管的主要部件，这可以很容易地了解风管的工作流程。所考虑的风管内部截面尺寸为130mm x 22mm，如图1所示，在本研究中，长宽比保持为6，因为许多研究人员已经为此类研究建立了这个长宽比。流量系统由270mm (> 5 √ 长进入段，250毫米长测试段和140毫米长 (> 2.5 √ 长出口段。在这里，选择测试长度或板长250mm来代替最合适的板长1000mm，因为这便于用于CFD分析目的。1000毫米的长度增加了网格单元的数量，最终增加了计算时间，需要更大的内存。

恒定的热流为1000 W/m 2 假设平均太阳热通量为1000 W/m，则认为是通过在吸收板上方放置加热板提供的。 2 解决方案域

风管高度(H) =130mm

管道宽度(W) =22mm

液压平均直径'DH'= 37.63 mm管道纵横比，'W / H'= 6

进口长度=270mm (> 5 √ WH)

试验段长度=250mm(仅用于CFD分析)

出口长度= 140mm (> 2.5 √ WH)

湍流高度，' e ' = 0.7mm, 1.0mm和1.5mm(如图4.6所示)

涡流高度与水力平均直径比，' e/Dh ' = 0.0186-0.03986

湍流桨距高度比，' p/e ' = 6.667-57.14气流攻角，' α ' = 90 o

雷诺数Re = 3800 - 18000底部表面均匀热=1000 W/m 2 K
图1:三维视图倒u型粗糙太阳能风管

图3为分析的求解域。均匀的热流为1000 W/m2在底部给出了宽墙，保持所有其他墙壁光滑和绝缘。在加热壁上提供的倒置u型扰流器也与壁面绝缘，因此没有热量给肋部，就像坦达所做的那样。图3为扰流器肋几何形状，扰流器总长度12mm时，一部分5mm的长度经过太阳能板，一部分7mm的长度倾斜，根据粗糙度的高度有不同的角度。采用二维网格进行分析，既节省了计算机内存，又节省了大量的计算时间。
图2:紊流器粗糙吸收板照片

网格独立测试

对于网格独立性测试，在不同的步骤中，单元数从3,72590到9,34175不等。我们发现，在8,49250个细胞之后，进一步增加的细胞数量，作为网格独立性标准的Nusselt数的变化小于1%。
图3:湍流肋的不同视图
结果与讨论

对带有“倒u形紊流器”的单壁粗糙矩形管道进行了计算流体动力学模拟;在均匀热流条件下，给出了边界条件。其余三面光滑的墙壁都是隔热的。这些条件对应于太阳能空气加热器管道中的流量。研究了雷诺数、相对粗糙度节距和相对粗糙度高度对传热系数和摩擦系数的影响。结果与光滑管道在相似流动条件下的结果进行了比较，确定了传热系数和摩擦系数的提高。在中等雷诺数流动(Re = 3800 - 18000)中进行了研究。在所有情况下，再循环区域都被清楚地识别出来，并且在以下情况下，可以看到流动重新附着。在病例中，肋骨的流动似乎是最复杂的;由于扰流器的表面是倾斜于流动方向的，在扰流器底部的前后角附近形成了相当大的一次和二次再循环区域。 The size of the recirculation zone, however, is largest for the p/e =6.67 rib and smallest for the p/e=57.143.
图4:Re=12000,p/e=10, e/D时的x -速度矢量显示h= 0.026


流结构

图中给出了在e/Dh=0.0186到0.0398时，使用k“å模型的湍流通道流动通过紊流器的路径线。这里给出了通道中的路径线。可以看出，由于p/e =6.67，最大的再环流区出现在凹槽区域，这是因为在这个最大的空气对底部表面太阳板的不同，也增加了传热率，粗糙度高度变为e=1.5。对比图4可以发现，在扰流器前面有较大的圆区，其p/e =6.67。图4为湍流区周围矢量流型。它清楚地显示了湍流附近的死区(涡流形成)，包括在前部和国回来。前面有更大的涡流。这些都是低热量传递的状态
图5 Re=12000时x -湍流强度路径线，p/e=6.67, e/Dh= 0.0398


图4显示了不同p/e和e/D时湍流强度的等值线图h比率。峰值湍流强度值，由k-预测
在槽底壁面处湍流强度很低，而在槽底壁面处湍流强度较低。如果比较所有图5湍流发现最大的p/e =6.67由于粗糙度高度，这证明我们得到更高的传热比其他p/e比

图6:由fluent Solver生成的X-Y图传热系数Re=12000, p/e=14.286,e/Dh= 0.0186
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图6给出了不同粗糙度高度下努塞尔数随雷诺数的变化情况。可以看出，在所有情况下，Nusselt数均随雷诺数的增加而增大，与光滑管道在相似流动和热边界条件下的结果进行了比较，确定了传热系数的增强。

图7：作为reynolds的函数的努塞尔号的变化p/e=6.67至57.14和e/Dh= 0.0186到0.03986
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摩擦损失

结果表明，随着雷诺数的增加，粘性子层的抑制作用使得摩擦系数在所有情况下都随着雷诺数的增加而减小。结果表明，在小p/e比的湍流粗糙通道中，气流的摩擦系数要高于大p/e比的湍流粗糙通道。摩擦系数随p/e比的增大而减小，因此，当p/e=6.67时，摩擦系数最大。
图8:摩擦系数随雷诺数的变化
点击这里查看图


结论

肋的提供完全阻挡了热壁附近的粘性次层，从而产生了上下游的涡流/再循环区，涡流不仅减少了换热，而且增加了压降。通过打开肋部下游的通道，可以降低涡流形成的强度。一个底部有通道的薄倾斜u型紊流器可以完全阻止涡流的形成，也可以在两个相邻肋之间的再附着点阻止两个边界层的再发展。

努塞尔数在低雷诺数时急剧增加，与低雷诺数相比，努塞尔数变为常数或略有增加;这也满足了我们在低雷诺数下应用太阳能集热器的目标。

在肋间区域，模型对中心高传热区域的预测较好，但肋间区域的预测较差。

结果表明，局部传热峰值出现在再附着点处。实验也证实了这一点。

结果还表明，湍流强度在肋间区域的局部换热系数达到峰值时达到最大值。这是p/e = 6.67时的最大值

表格具有更多的锋利边缘，以便更多地剪切粘性边界层。仅在边界层的粘性子层区域中产生的湍流导致更好的热液压性能，即在经济适用摩擦罚处的最大热传递。

通过有效性测试和网格独立性测试，完成CFD分析。也经文献(参考数据)验证。

未来的工作

基于CFD的太阳能空气加热器三维分析，提高了精度。

利用室外太阳能空气加热器的辐射模型，对太阳能空气加热器进行CFD分析，为太阳能空气加热器的高效利用提供依据。

太阳能空气加热器在制冷空调等热空气领域的应用，可以通过CFD软件进行整体模型的制作和分析，阐明节能的重要性


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