【正文】 都是盡可能地提高換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化措施。具體說來，就是用各種異型管取代原來的光管，現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋（螺紋管）、橫槽紋管、波紋管、內翅管及管內插入強化物質；三是換熱設備的強化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說按照能量的品味逐級利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。無論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來強化傳熱技術，雖然傳熱效果有了很大的改進，但這些方法有許多缺點，例如換熱管的加工制作工藝過于復雜，增加金屬消耗量從而增加換熱器重量，又易于造成管子堵塞，換熱能力增強的同時，阻力也相對增大許多，從而造成運行成本的提高等。因此，它們在強化效果、加工造價、流道通暢、使用壽命、流動阻力等方面上都有待改進，尤其在上述諸性能的綜合性能上參差不齊，需要探索更合理的方式[5]。 翅片管換熱器強化傳熱技術在強化傳熱方法研究中，換熱器氣體側的傳熱熱阻是提高換熱器傳熱效果的主要障礙。對流換熱強化技術在氣體側的應用要綜合考慮許多因素：首先要確定流體的流態(tài)，即層流或湍流。在層流對流換熱情況下，流體速度和溫度呈拋物線分布，從流體核心到壁面都存在速度和溫度的梯度，因此對層流換熱所采取的強化措施是使流體產生強烈的徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場、溫度場趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進而強化層流換熱。在湍流對流換熱情況下，由于流體核心的速度場和溫度場都已經比較均勻，對流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對湍流換熱所采取的主要強化措施是破壞邊界層，使傳熱溫差發(fā)生在更加貼近壁面的流體層中，增強換熱能力[6]。但由于氣體導熱系數和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無法實現(xiàn)較高的換熱系數。所以，此時采用增強流體擾動，提高換熱系數的方法對空氣側換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應該是擴大換熱面積。采用附加表面來增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內溫度場的分布就是強化空氣側換熱最常用的手段之一，翅片管換熱器（如圖11）就是基于上述原理制造出來的。圖11 翅片管式換熱器實物模型翅片的發(fā)展主要分為三個階段:連續(xù)型翅片、間斷型波紋翅片和帶渦流發(fā)生器的翅片。其中，連續(xù)型翅片包括平直型、波紋型等翅片；間斷型翅片包括百葉窗翅片、錯位翅片等；帶渦流發(fā)生器翅片主要是通過渦流發(fā)生器產生橫向渦和縱向渦來使換熱強化。雖然翅片類型已由平直翅片向波紋片、百葉窗、沖縫片和穿孔翅片等多種高效形式演變，平直翅片的強化傳熱效果不如錯齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結構和制造上的簡單方便、 運用上的耐久性及其較好的適用性，到目前為止，平翅片換熱器仍是最為常用的一種翅片管式換熱器之一。平直翅片管（圖14）換熱器具有良好的傳熱性能和低阻力性能，其在制冷、空調、化工、電子微器件散熱（如CPU熱管式散熱器圖12和13）等多個工業(yè)領域都得到廣泛的應用[7]。采用平直翅片加強傳熱的機理是傳熱面積的增大和水力直徑的減小，使流體在通道中形成強烈的紊動，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。 圖13 10熱管穿finCPU散熱器圖12 忍者I代塔式穿fin散熱器圖14 平直翅片管模型研究發(fā)現(xiàn)，翅片管式換熱器管內熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側的熱阻比為2∶1∶7[5]?？梢姽芡獬崞膿Q熱仍然是制約換熱器效能的主要因素，因此，強化空氣側的換熱成了管翅式換熱器強化傳熱的重要問題。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調、化工等工業(yè)領域廣泛采用的一種換熱器形式，對它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對改進翅片換熱器的設計型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導意義。 翅片管強化傳熱的數值解法隨著高速計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代計算技術的發(fā)展，以及湍流模型的不斷發(fā)展與完善，使用電子計算機作為模擬和實驗的手段成為可能，從而可以用數值方法來求解流體力學和傳熱學中的各種各樣的問題。數值傳熱學（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱計算傳熱學（Computational Heat Transfer，CHT）是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數值方法通過計算機予以求解的一門傳熱學與數值方法相結合的交叉學科。數值傳熱學求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點，node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關系的代數方程（稱為離散方程，discretization equation），求解所建立起來的代數方程以獲得所求解變量的近似值[8]。上述基本思想可以用圖15來表示。由于翅片管結構及各種工況因素對換熱效果的影響十分復雜，以解析方法及實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，計算傳熱學與計算流體動力學發(fā)揮著越來越重要的作用。與實驗研究相比，數值解法具有以下一些優(yōu)點[9]：圖15 工程物理問題數值計算的一般步驟(1) 經濟性好。運用計算機的數值方法進行預測的最重要優(yōu)點是它的成本低。在大多數實際應用中，計算機運算的成本要比相應的實驗研究的成本低好幾個數量級。而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展（處理器運算速度的提高，硬件成本的下降），它在科學研究的重要性將越來越突出。(2) 研究周期短。用計算機進行計算和研究能以及其驚人的速度進行。一個設計者能夠在一天之內研究出多種方案，并從中選擇最佳的設計，而相應的實驗研究卻需要很長的時間。(3) 數據完整。對一個問題進行數值求解可以得到詳盡而完備的數據。它能夠提供在整個計算區(qū)域內所有的有關變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。與實驗的情況不同，在計算中幾乎沒有不能達到的位置。(4) 具有模擬理想條件的能力。人們有時為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動充分發(fā)展等等，在數值計算中很容易實現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實驗中卻很難近似到這種理想化的條件。數值計算方法的這些優(yōu)點使人們熱衷于計算機的分析，但是它也有一些局限性。因為結果的準確度是由數學模型的精度和數值方法共同決定，因此數學模型和計算方法必須都具有良好的完善性，而且對于十分復雜的問題，數值解目前也很難獲得。雖然在某些研究領域中，目前數值計算幾乎已取代了實驗研究，但在流體力學與傳熱學的領域中，實驗研究、理論分析與數值計算這三種研究手段則是相輔相成、互為補充的。理論分析方法的優(yōu)點在于所得結果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可以為檢驗數值計算結果的準確度提供擬合參照的依據，是指導實驗研究和驗證新的數值計算方法的理論基礎。但是，它往往要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。實驗測量方法是研究流動與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實驗結果是真實可信的，它是理論分析和數值方法的基礎，一方面補充現(xiàn)有的結構模型試驗數據庫，另一方面為工程設計人員提供新的技術支持，同時還可以與數值模擬的結果進行對比來改進試驗設計，因而其重要性不容低估。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過實驗方法得到結果[10]。而數值求解(CFD)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點，在計算機上實現(xiàn)了一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。它可以通過比較各種型號的換熱器的換熱和流動阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗設計參數選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動性能，對換熱器的開發(fā)和設計有指導作用?？傊?，科學技術發(fā)展到今天的階段，把實驗測定、理論分析與數值模擬這三種研究手段有機而協(xié)調地結合起來，是研究流動與傳熱問題的理想而有效的方法。[2] 平直翅片管換熱器的研究進展及成果人們在進行強化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強化換熱的方法。總的來說有以下的幾種方法：一是減小換熱管的結構尺寸，采用小管徑換熱管代替大管徑換熱管，同時減小管排橫向間距及縱向間距。從目前家用空調中所采用的換熱管尺寸來看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢，；二是增強空氣側的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達到強化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產生了波紋形翅片類型； 三是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應，達到強化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。以下就國內外對這幾種強化方式下的翅片類型的實驗研究進展作概述介紹，如表1所示： 平直翅片管實驗研究進展及成果(1) 早在1971年，，實驗結果表明翅片間距對換熱系數有顯著的影響，而管排數對的空氣壓降幾乎沒有影響[11]。(2) 1978年，McQuiston發(fā)表了第一個基于五種結構參數（、管排間距為22mm、管排數為4）的平翅片換熱及壓降通用關聯(lián)式[11]。(3) 1986年，Gray和Webb又提出了管排數大于4排的實驗關聯(lián)式，其關聯(lián)式能較好地預測大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性和壓降特性[11]。(4) 1991年，Seshimo and ，對21種平翅片形換熱器進行了研究。(5) 1994年，康海軍[12]等對平翅片在不同翅片間距和管排數的情況下，對9種不同結構的平翅片換熱器進行了實驗，發(fā)現(xiàn)片距對傳熱的影響依賴于臨界Re 數，對于層流來講，片間距的增加會導致?lián)Q熱的下降 ，而對于阻力而言，片間距越大，阻力越小，且兩排管的性能優(yōu)于三、四排管。并提出了在工業(yè)常用Re數范圍內的換熱和阻力性能通用關聯(lián)式。(6) 1996年，何國庚[13]等分別對16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進行了實驗，指出風速對風側阻力的影響并不相同：在較少排數時，風速的影響顯著些；而隨著管排數的增加，風速的影響也趨向穩(wěn)定。(7) 1996年以來，Wangel一直致力于翅片管的研究，對平翅片換熱器也做了大量的研究，同時針對翅片換熱器的發(fā)展形式，對小管徑和小結構尺寸的換熱器進行了研究，得出大量十分有價值的研究成果。(8) 2000年，Wangel對18種不同結構的翅片管換熱器的空氣側換熱特性進行了研究，并分析了管排數、翅片間距、管徑對換熱特性的影響。指出在不同的雷諾數下，空氣側的換熱特性與翅片間距、 管排數和換熱管管徑有十分重要的關系[11]。(9) Sparrowe也對單排及雙排平直管換熱器進行了研究，指出邊界層的發(fā)展是單排管換熱特性的最重要因素，渦流的影響只有在高雷諾數的情況下才獲得[11]。 平直翅片管數值研究進展及成果(1) Saboya在研究此問題時指出，邊界層的發(fā)展是制約單排管換熱特性的重要因素。后來， Torikoshi對板間通道進行了3D數值模擬，發(fā)現(xiàn)只要翅片間距足夠小，管子后漩渦將被翅片的“壁面效應”抑制，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。(2) Ricardo也對板間的流體行為進行了3D模擬。同時借助可視化實驗技術，揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。(3) 宋富強對不同風速下的傳熱機理進行場協(xié)同數值研究，得到了不同位置速度矢量與溫度梯度的協(xié)同程度，發(fā)現(xiàn)低流速時，全場的溫度梯度與速度協(xié)同程度好，因而換熱速率隨流速近線型增加，但管子背風側的換熱強度較差。雙排管整體翅片數值模擬表明，～，對流給熱系數及壓力降均隨流速呈線性增長。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數值模擬結果發(fā)現(xiàn)，傳熱隨著兩種間距的增大而減小，進一步場協(xié)同原理總體平均分析表明，橫向管距越小，縱向管距越大，熱、流場總體協(xié)同性越好。(4) 2002年，西安交通大學宋富強，屈治國[14]等對翅片管散熱器進行了低速下流動和換熱的數值模擬，得到了流速與換熱系數的關系，以及不同流速下翅片管流動與換熱的溫度場、速度場和速度與溫度梯度的夾角場，并首次利用場協(xié)同原理進行了分析9結果表明：當流速很低時，速度與換熱系數幾乎成線性變化，場的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場的協(xié)同性變差，換熱系數隨速度增加的程度減弱。(5) 2003年，何江海等[15]對整體式平直翅片管換熱器進行數值計算，～，并由計算結進一步得出不同來流速度時的空氣側對流換熱系數與壓降的變化情況。(6) 2006年，徐百平等[11]對換熱器內的流動與傳熱進行了數值模擬研究。根據得到的換熱器通道內的傳熱與阻力特性 ，提出了可以通過控制宏觀流場來減阻強化傳熱的思想。(7) 2008年，傅明星[16]利用三維穩(wěn)態(tài)模擬研究了叉排和順排布置形式、幾何尺寸和雷諾數Red對雙排平直翅片管換熱器換熱和流動特性的影響，研究成果豐富。(8) 2010年，馬挺、曾敏[17]等數值模擬方法對平直翅片管燃氣側在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進行了對比研究，數值模擬結果表明：燃氣進口溫度對Nu數影響較大，溫差對阻力系數f影響較大，輻射對Nu數影響較大，對阻力系數f影響很小。高溫換熱器用平直翅片管的傳熱與阻力特性不同于常溫條件下的平直翅片管， 在熱力設計中平直翅片管常溫下的傳熱與阻力規(guī)律不能直接推廣到高溫環(huán)境。 本文的主要研究內容綜上所述，影響翅片的換熱及阻力特性因素眾多，翅片管式換熱器在制冷與空調系統(tǒng)中應用非常廣泛。作為其中的關鍵部件，換熱器的性能與效率對于整個系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。針對上述課題的意義、翅片管式換熱器的換熱特點及國內外在實驗與數值模擬方面發(fā)展狀況的分析，得出平直翅片管式換熱器管排橫縱向間距、翅片間距、管排數和Re數等因素對換熱與阻力特性的影響，以此為工業(yè)上平直翅片表面換熱設備的選擇提供參考依據。具體內容如下：1. 假定流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動，翅片管管壁面溫度恒定，且認為流動與換熱在經過進口延長區(qū)后均已進入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內一個周期中的流動與換熱控制方程數學模型。2. 根據空調設備中常見的整體式平直翅片管尺寸結構選取幾何模型，并使用GAMBIT軟件對計算區(qū)域全流場及翅片內部導熱區(qū)域進行六面體網格劃分，管子周圍及流體近翅片區(qū)域采用邊界層加密處理。采用的流體工質為常物性的空氣。3. 根據有限容積法的二階迎風格式（Second Order Upwind）對計算區(qū)域進行離散化，對離散后的控制方程設置邊界條件和初始條件，并采用標準的SI