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對于燃氣熱水器，換熱器管子外側流動的是高溫煙氣，內側流動的是冷水。試驗表明，煙氣側的熱阻明顯高于水側的熱阻，因此通常在管子表面設置翅片增加換熱面積，以提高換熱效率。目前，常用的翅片管束主要分為3類：單管外翅片管束，單根圓管外側加裝翅片所構成的翅片管束；連續翅片管束，在整塊薄金屬板（翅片）上，按管子排列形式（順排、叉排）沖孔，然后用專用設備將沖孔后的金屬薄板逐片套在圓管上，再采用脹管或釬接方法連接；管帶式翅片管束，由波帶形翅片與扁管相間疊合而成，即在一條波形帶狀翅片的脊背上，沿垂直于氣流方向，貼置若干根扁管，翅片與扁管采用釬接方法連接。本文選取連續翅片管束，采用CFD軟件，在管子內流體為定溫度條件下，對非翅片表面煙氣流道內煙氣、翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。
1 模擬方法
1.1 控制方程與數學模型［1-2］
①控制方程
控制方程包括混合物質量守恒方程、組分質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，由于換熱管外煙氣中水分未發生凝結，煙氣組成不會發生變化，因此不需考慮組分質量守恒方程。
1.2 物理模型
燃燒產生的高溫煙氣向上沖刷翅片管束，通過對流傳熱將熱量傳遞給管子內的冷水。對非翅片表面煙氣流道內煙氣與翅片表面煙氣的溫度場、速度場進行數值模擬分析。考慮到計算的時間與成本，數值模擬只針對單個連續翅片進行研究，計算區域寬×高×厚為126.4 mm×219.0 mm×2.7 mm，管子直徑為14.5 mm，翅片厚度為0.3 mm，忽略管子壁厚，管子上方的翅片有沖孔。采用Cero軟件（三維設計制圖軟件）建立物理模型（見圖1），并采用Gambit軟件對物理模型進行網格劃分，網格生成后，用網格檢查器檢查網格的質量，劃分網格后的物理模型見圖2，網格數量為719 625 個
1.3 邊界條件
①入口邊界條件
入口為速度邊界，在FLUENT軟件中定義速度邊界的方法有3種：種是將速度視為速率的值與一個單位方向矢量的乘積，然后通過定義速率的值和方向矢量分量來定義速度邊界；第二種是將速度視為3個坐標方向上的分量的矢量和，然后通過分別給定3個分量大小來定義速度邊界；第三種是設定速度垂直于邊界面，然后給定速率的值就可以定義速度邊界。
由于煙氣流動方向與物理模型底面垂直，因此采用第三種定義速度邊界的方法。煙氣的進口速度為4.215 m/s，溫度為1 250 K，湍流強度為3%，煙氣的組成見表1。
②出口邊界條件
出口邊界條件為壓力邊界條件，出口壓力（表壓）設置為0。物理模型出口湍流強度為3%。
③壁面熱邊界條件
物理模型外壁面選用對稱壁面邊界條件，無熱流，無氣流，管子內壁面選用流固耦合熱邊界條件。
④管內流體條件
管內流體溫度設定為350 K。
2 數值模擬結果及分析
2.1 煙氣溫度分布
非翅片表面煙氣流道內煙氣溫度分布見圖3，翅片表面煙氣溫度分布見圖4。由圖3可知，非翅片表面煙氣流道底部煙氣溫度為1 250 K，煙氣流過管子時溫度下降，出口煙氣溫度分布比較均勻，分布范圍為500~750 K。由圖4可知，翅片表面煙氣溫度分布基本對稱，管子周圍的煙氣溫度低（為505 K），翅片邊緣的煙氣溫度高（為590 K）。由圖3、4可知，在管子錯排布置條件下，煙氣與管子能夠實現較好的換熱。煙氣流道出口處煙氣溫度的分布比較均勻，對后續的煙氣處理也非常有利。文獻［3］的研究表明，與順排布置相比，管子錯排布置可大幅改善煙氣與管子傳熱條件下的流動工況，增強了換熱效果。由此可知，模擬結果與文獻［3］的研究結果基本一致。2.2 煙氣速度分布非翅片表面煙氣流道內煙氣速度分布見圖5。文獻［4-5］研究表明，對于平翅片管束，當煙氣繞過管子流動時，管子表面附近易形成很薄的邊界層旋渦區，流動到管子后部表面分離，伴隨旋渦從管子表面脫落，并在煙氣出口區域形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區。尾流區內煙氣的循環流動使得管子周圍煙氣溫度下降速率減緩，此外隨著煙氣沿平翅片表面的平直通道向前流動，邊界層由于無附加擾動而逐漸增厚，使得局部換熱系數沿程降低。為改善上述問題，可通過在管子上方的翅片沖孔［1］47，破壞尾流區形成的邊界層，從而改善平翅片管束的換熱環境，還可降低翅片用料。由圖5可知，管子后部并未形成紊亂、充滿大小不等旋渦的尾流區。
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