FLUENT针肋圆管温度场模拟(2)
近年来，随着科学技术以及制造行业的发展，对换热器的换热能力提出了新的要求。肋
片作为换热器的扩展面，是强化换热的一种有效途径，现在已经在紧凑式换热器中得到高度
应用。但是有时受场地的限制，希望换热器能够具有体积小、质量轻的特点，通常会在换热
器圆管表面采用细针或柱体，即针肋。针肋为圆形横截面，截面可为等截面也可为非等截面，
它具有传热系数高、热阻小和不易积灰的的特点，这些使得它在能源、化工、核动力及船舶
等工业领域优于其他形式的扩展面，例如低温平板型蒸发器、船用燃油锅炉、余热锅炉中常
使用针肋管结构。
1.2 概述
1.2.1 扩展表面传热
所谓扩展表面通常用于指涉及固体内部导热和固体边界通过对流（和/或辐射）向周围环
境传热的一种重要的特殊情况[3]
。扩展表面通常用于强化固体表面与其周围流体之间的传热，
常常将这种扩展表面称为肋片。肋片可以分为等截面与变截面，根据截面形状不同有直肋片、
环肋片、柱肋片（针肋片）、三角形肋片等。这些肋片都是增大了传热的有效面积，能够在
一定程度上改善固体表面与流体的传热效果。通常通过肋片有效度和肋片效率来度量肋片的
性能好坏，不同肋片的传热原理是一样的，只是通过改变截面形状来获得不同的肋片有效度
和肋片效率。图 1.1 为等截面针肋传热二文平面示意图，圆管表面温度为 T1，来流流体温度
为 T2，T2>T1，针肋肋高为 L，流体流过针肋与针肋进行传热。1.2.2 研究意义
换热器广泛应用于工业领域之中，在人类的生产生活中占据十分重要的地位。合理地组
织换热器的换热过程，能够在很大的程度上提高能源的利用效率，起到节能减排的效果。换
热器圆管的表面采用针肋时，能够增大换热面积、增加流体的湍流，促进圆管固体表面与流
体的传热效果。针肋与其它形状的肋片相比，针肋具有较高的传热系数，并且应用也较为广
泛，常常在余热回收装置中使用，如余热锅炉。因此，研究圆管表面采用针肋时的温度分布
是十分有必要的。
1.2.3 国内外研究现状
肋片作为换热器的扩展面，其结构的优化一直是研究者研究的重要内容。陈为瑶、崔肖
杰[4]
对肋片的形状和尺寸进行了优化设计，主要通过传热学理论，证明始端大终端小变截面
的肋片和肋片弯曲的肋管是最佳设计，为工程应用提供了参考。衡量肋片性能的两个参数为
肋片有效度和肋片效率，不同形状的肋片，肋片效率不一样。在国外，Zoran Carija、Bernard
Frankovic 等[18]
将翅片管式换热器和百叶窗肋片进行比较，发现百叶窗肋片传热效果比较好，
压降稍微高一点。Bernd Ameel 等[19]
对施密特计算式能否用来计算百叶窗肋片效率进行了研
究，结果表明使用施密特计算式计算的结果比实际偏高。Ke-Wei Song等[5]
对扁管翅片换热器
肋片效率进行了数值研究，通过萘升华技术以及传热和传质类比得到局部传热系数和肋片效
率，并提出了修正后的肋片效率关系式。Y.B. Tao、 Y.L. He 等[6]
采用适体坐标法对波纹翅片
管换热器的肋片效率以及局部传热系数进行研究，发现波纹角度可以影响本地 Nu 数以及肋
片的效率。
强化传热技术的研究一般都与工程应用紧密相连，所以一般都是通过实验研究以及软件
模拟来观察换热器传热效果的改善情况。矩形直肋为简单而具有代表性的肋片结构，对矩形
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