輻射對流條件下肋片散熱的數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、2004年第2期節(jié)能EN ER GY CONSERVA TION (總第259期 9輻射對流條件下肋片散熱的數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化陳建芳, 張雙喜(青島建筑工程學院, 山東青島266033摘要:本文利用matlab 對一種矩形肋片進行了散熱數(shù)值計算, 以金屬熱強度為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標函數(shù), 通過對計算結(jié)果的分析得出了此種肋片的最佳肋高尺寸, 同時, 認為利用matlab 是非常方便的。關鍵詞:矩形肋片; 數(shù)值計算; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號:T K172:A-031引言(1 穩(wěn)態(tài)的、一維的傳熱;(2 周圍介質(zhì)溫度恒定, 并為周圍環(huán)境的輻射溫度; (3 肋片是漫灰體, 常物性;(4 導熱系數(shù)、輻射率不隨溫度變

2、化, 沿肋高方肋片換熱是工程中常見的一種散熱方式, 本文的研究對象是散熱器矩形肋片, 散熱器的散熱量一直是一個被關注的問題, 在能源日益緊缺的今天, 肋片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也日益受到重視, 所以筆者在前人研究的基礎上, 利用先進的計算機軟件對散熱器肋片進行了傳熱數(shù)值計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對結(jié)果所做的詳細分析和比較, 得到了矩形肋片的最佳肋高尺寸, 該結(jié)論對散熱器的工程設計和散熱器生產(chǎn)廠家都有很好的指導作用和借鑒意義。2數(shù)學模型的建立和求解散熱器矩形肋片結(jié)構(gòu)如圖1所示, 材料為鋁合金。物體傳熱有對流、導熱和輻射三種基本形式, 所以本文同時考慮了三種傳熱形式, 由于各個肋片都具有相同的溫度分布和結(jié)構(gòu)尺寸,

3、所以, 只取一對肋片作為研究對象。在通常情況下, 肋片內(nèi)的導熱熱阻常常遠小于肋表面的對流換熱熱阻, 即肋片橫截面上的溫度可以近似地認為是均勻的, 而在肋高度方向上溫度有變化。另外, 肋片所用的材料也是均勻的, 其物性為常數(shù)。向的對流換熱系數(shù)為常數(shù);(5 肋片溫度只隨肋的高度方向變化, 肋端絕熱; 肋間壁面及肋基的溫度為T w 。在實際應用時肋的長度方向與地面垂直, 肋的長度分別為520mm ,420mm ,320mm ; 肋的厚度分別為110mm ,019mm 。取厚度為dy 的微元體為研究對象, 根據(jù)肋片的能量守恒得出數(shù)學模型為:控制微分方程2=(T -T f +q r (y dy2邊界條件

4、y =0T =T w y =h q r (y =(=0dyT 4(y -B (y 1-hT 4(y +(1- B (y =wB (y d F dA (y -4dA (y +Bw (z d F dA (y -dA (z +T f d F dA (y -A hT 4w +(1- 2B (y B w (z =4圖1肋片結(jié)構(gòu)圖d F dA (z -dA (y +T f d F dA (z -A 為了便于問題的分析, 做如下的假設:其中B (y , B w (z , q r (y 分別是肋片、肋間壁節(jié)能2004年第 2期EN ER GY CONSERVA TION (總第259期 10面的有效輻射、肋片

5、的輻射換熱量。dF dA (y -dA (y 、dF dA (y -dA (w 、dF dA (y -A 0、dF dA (w -dA (y 、dF dA (w -A 0分別是不同微元面之間的角系數(shù)。各個系數(shù)的計算可參考文獻5。上式和圖1中各參數(shù)的意義如下:; 材料的導熱系數(shù),W/(m 2; 肋片的對流換熱系數(shù),W/(m 2f 肋片橫截面的面積,m 2; U 肋片橫截面的周長,m ; 2肋片的厚度,m ;T 肋片的溫度, K; T w , T f K; = 肋片表面的發(fā)射率; h 肋片的高度,m ; w 肋間距,m 。在本文中以上各個值為:=17014W/(m 2 ; =51364W/(m 2

6、 ; T w =35515; T f = mm ; =5167×291; =01043; w =(12+10-8W/(m 2K 4 。3計算結(jié)果及分析圖4當L =420mm 時散熱量沿肋高方向的變化曲線可以看出數(shù)學方程是非齊次的, 因此, 對上面的數(shù)學模型各個方程離散后必須利用迭代法, 然后再利用matlab 程序?qū)Ψ匠踢M行求解, 通過對數(shù)據(jù)的處理后得到了圖2圖5。從圖中可知當肋的長度一定時肋的厚度越大溫度變化越小; 當肋的厚度一定時肋的長度越大溫度變化越小, 散熱量隨著肋的高度增大而增大, 肋的厚度不同時其散熱量相差不大; 當肋的厚度一定時其長度越大散熱量越大, 肋的長度不同時其散

7、熱量相差很大。由于曲線的變化趨勢相同, 所以當L =520mm 、320mm ; =019mm 、018mm 時的曲線就不再畫出了 。圖5當2=110mm 時散熱量沿肋高方向的變化曲線從表1和表2中可以看出金屬熱強度隨著肋高的增大先增大, 當達到一定的值時開始減小, 此時的肋高值就是最佳肋高尺寸。在肋厚、肋高相同時金屬熱強度隨著肋長的減小而增加, 但是散熱量卻隨=著肋長的減小而減小。對當=019mm 、018mm 不同肋長時的各個量的值, 在此不再列出了。通過比較又可得出:當肋長相同時, 金屬熱強度、最佳肋高尺寸隨著肋厚的減小而增大。值得提出的是, 在計算過程中筆者還發(fā)現(xiàn)散熱量中輻射換熱量也是

8、先隨著肋高的增大而增大, 當達到一定值時開始減小。在肋厚、肋高相同時輻射換熱量的占有率隨著肋長的減小而增加, 當肋長相同時, 而圖2當2=110mm 時溫度沿肋高方向的變化曲線輻射換熱量的占有率隨著肋厚的減小而減小。2004年第2期節(jié)能EN ER GY CONSERVA TION (總第259期 11從以上的4個圖形和表1、2中, 可以得到在設計和選用散熱器時, 不能一味地追求大散熱量或者高金屬熱強度, 還需要與實際情況相結(jié)合。雖然當肋長相同肋厚越小時金屬熱強度越大, 但是也要滿足工藝要求才行。肋的長度越大散熱量越大, 同時也要考慮金屬熱強度的大小, 不然就會造成材料的浪費。盲目地通過變化肋片

9、的高度來改變輻射換熱量的大小, 以此試圖來改變總散熱量大小的做法也是不可取的。另外, 在理論上分析最佳肋高尺寸會隨著肋長度的增加而稍有減小, 但是, 從表1和表2。表1當2=10mm 不同肋長時的金屬熱強度和最佳肋高尺寸肋長肋厚520肋高/mm203041110424220-1管的周長為20mm 。實驗測得的散熱量為247W , 建立數(shù)學模型利用程序所計算的散熱量為242127W , 兩者的相差很小, 完全滿足工程的要求, 因此利用該種方法來解決此類問題是正確的。圖6鋁合金散熱器結(jié)構(gòu)圖5結(jié)束語435060(1 現(xiàn)在所用的散熱器散熱狀態(tài)與理想狀態(tài)還最佳肋高尺寸/mm420肋高/mm金屬熱強度/W

10、 (kg 30404141425030394040415060最佳肋高尺寸/mm320肋高/mm有差距, 所以對散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是非常必要的, 同時如何優(yōu)化也是非常重要的, 本文為解決該問題提供了參考。(2 散熱器在制造和選型時, 要統(tǒng)籌考慮各種要素, 不能以一種要素為標準, 這樣才能得到更加舒適的環(huán)境, 消除不必要的浪費。(3 在計算散熱量的過程中, 還發(fā)現(xiàn)在肋基溫度比較低的情況下其輻射換熱量大約占總散熱量的20%左右, 如果肋基溫度較高時輻射換熱量所占的比例會更高。所以在對散熱器肋片進行散熱量計算時其輻射換熱量一定要考慮。(4 本文只是對矩形肋片進行的優(yōu)化, 同樣對其它形狀的肋片也可以借鑒

11、此方法。參考文獻1美E M 斯帕羅,R D 塞斯著, 顧傳保, 張學學譯. 輻射傳熱M .北京:高等教育出版社,1982.2李亮斌, 楊翔翔. 在輻射和對流條件下肋片傳熱的研究J.華僑大學學報(自然科學版 ,1989,10(4 .3巨永林, 張玉文, 陳鐘頎. 復合換熱情況下肋片性能的研究J.甘肅科學學報,1994,6(3 .4張玉文, 陳鐘頎. 輻射對流條件下肋片散熱的數(shù)值計算J.工程熱物理學報,1989,10(1 .5樊未軍, 楊翔翔. 在復雜邊值條件下非穩(wěn)態(tài)肋片的傳熱的最優(yōu)化J.華僑大學學報(自然科學版 ,1995,16(3 . 作者簡介:陳建芳(1977- , 女, 在讀碩士研究生,

12、研究方向:建筑設備節(jié)能技術。(收稿日期:2003- 11-24; 修回日期:2003-12-11最佳肋高尺寸/mm表2當2=019mm 不同肋長時的金屬熱強度和最佳肋高尺寸肋長肋厚520肋高/mm203043019444420-1455060最佳肋高尺寸/mm420肋高/mm金屬熱強度/W (kg 3042434344506030404141425060最佳肋高尺寸/mm320肋高/mm最佳肋高尺寸/mm4實驗驗證為了驗證利用matlab 解決此種問題的正確性,我們對如圖6結(jié)構(gòu)的鋁合金散熱器的散熱量進行了測定, 它的結(jié)構(gòu)與上面所計算的散熱器的結(jié)構(gòu)相同, 散熱器的壁厚為110mm , 矩形肋片的

13、高度為10mm , 肋片的厚度為110mm , 肋片間距為9mm , 肋的長度為460mm , 聯(lián)箱表面上也有一些肋片, 最終折合圓節(jié)能2004年第2期EN ER GY CONSERVA TION (總第259期 2ciple ,air handling method and key problems. The article will contributeE nergy Conservation(MonthlySponsor :Liaoning Provincial Institute of Science andTechnology InformationPublisher :Energy

14、 Conservation Magazine PublishingHouseChief Editor :ZHAN G Wei 2huaAddress :No. 274Qingnian Boulevard Shenyang CityLiaoning Province ChinaPost Code :110016to the R &Dand design of anti -microbe air -conditioning system.K ey w ords :anti -microbe air -conditioning ;dry condition FCU ;large enthal

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16、s out it is to of environment for energy con 2survey of the tech 2and trends in energy sources ABSTRACTSFebruary 2004K ey w ords :building environment ;heating ventilation and air con 2ditioning ;energy savingThe progress of as a for diesel enginesL I Zhuo ,L IU Xiao 2hongThis article introduces the

17、 progress of dimethyl ether as a fuel for diesel engines related to the engine performance ,particle emission ,fuel injection ,components wear ,sealing ,ignition delay and safety aspects.Several typical flue gas desulfurizationmethods to control harmful gasSUN J in 2yuIt is a common way to control t

18、he release of SO 2with flue gas desulfurization technology. As for the current situation at abroad and home ,several typical flue gas desulfurization methods was introduced and a sound description of the future development about desulfurization tech 2nology was given. The introduction of the princip

19、les and technical process of these methods will offer an ideal reference for many coal power sta 2tions that want to clean and reduce the release of harmful gas.K ey w ords :dimethyl ether ;diesel engine ;fuelImproving the combustion and emissionsof the liquid w aste incineratorZHAO Liang ,L I De 2f

20、 u ,CUI EIn order to improve the combustion and polluted emision for the liq 2uid waste incinerator of acrylonitrile plant , the paper makes tests of emulsified fuel oil combustion ,retrofit burning system ,improving opera 2tion conditions and reducing emission. The measurement results indicate that

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25、on the condition that metal thermal intensity is target function of structural optimization. At the same time , the writer think that it is very convenient to resolve this kind of problem by using matlab program.K ey w ords :distributed energy system ;distributed power supply ;CCHPThe thermodynamic and economic analysis of heating system of absorption heat pump utilizing w aste heat of oil extr