【正文】 料方面的優(yōu)越性，如今在石油化工、能源動力、冶金、制冷、航天等各領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。翅片管換熱器在制冷、空調(diào)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。同時對不同尺寸的波紋翅片進行了數(shù)值模擬分析并計算出各個模型的換熱因子 j 和阻力因子 f，根據(jù)他們的數(shù)值判斷翅片在該模型下的性能優(yōu)略。波紋翅片是板翅式緊湊換熱器中的一種常 見的翅片類型 ,它在增加傳熱面積和加強擾流方面有很好的表現(xiàn)。由于工業(yè)領(lǐng)域?qū)Q熱器設(shè)備的不斷需求與目前世界范圍內(nèi)能源緊缺之間的矛盾不斷惡化 ,使強化傳熱技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域起著重大的作用。 翅片管的優(yōu)點 : (1)結(jié)構(gòu)緊湊。 (3)有效合理利用材料。另外， 39。 本文主要研究的翅片管換熱器 ,它在動力、制冷、空調(diào)等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用。波紋越密，波幅越大，其增強效果也越大。 波紋翅片的應(yīng)用場合 和平直翅片相比 , 波紋翅片的具有更好的換 熱性能和流動特性，因此波紋翅片在各類強化換熱場合中的應(yīng)用比較廣泛 , 也是研究關(guān)注的熱點之一。得出翅片管上游的局部換熱系數(shù)較 高 ,下游的局部換熱系數(shù)較低。運用 Ue 瑞流模型欖擬空調(diào)單元空氣流動，得到的結(jié)架十分準(zhǔn)確 ,再加上 QUICK 方法得到的平均速度提供了更加準(zhǔn)確的結(jié)果。 1996 年 ,Rammohan Rao 等 [7]實驗研究水平翅片自然對流和福射換熱的關(guān)系。翅片厚度越小 ,傳熱性能越好。增加翅片密度形式多樣 ,例如平翅片、條縫翅片、西葉窗翅片等等。 2020 年 ,Meyer[13]又對翅片管換熱器的入口處中氣流動損失進行實驗研究 ,發(fā)現(xiàn)入口交氣流動損失量與通過換熱器的中氣平均速度無關(guān) ,而與入口處空氣和進口的傾斜角有關(guān) 。結(jié)來表明 ,空氣側(cè)的傳熱系數(shù)比文獻中關(guān)聯(lián)式大 20%左右， 。研究發(fā)現(xiàn) ,翅片 TllMi 降低 ,管排數(shù)培加 ,其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下 ,空氣側(cè)換熱系數(shù)降低 :針對不同排管的換熱器 ,以管外徑為均最進徑 ,Re 數(shù)變化范圍從 500 到 900,翅片間距 .從 降低到 ,空氣側(cè)換熱系數(shù)會降低大約10%。 2020 年 ,Naphon[17]值模擬研究波紋片結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度和流動分的影響。 2020印 ,BoiTajoPelaez 等 [19]對平翅片管空氣側(cè)換熱特性模擬。由于設(shè)備運行中熱量散失增加 ,需要研究新方法提高冷凝器的換熱性能。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和 數(shù)值模擬 數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是數(shù)值傳熱學(xué)，數(shù)值傳熱學(xué)是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法，通過計算機求解的一門傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。 通過數(shù)值模擬可以得到整個流場的基本信息，再通過計算得到想要的性能參數(shù)（如 Nu、壓差 Δ p、換熱因子 j、阻力因子 f 等等），對這些數(shù)據(jù)進行對比觀察，得到所要結(jié)果。然后進一步分析了波紋翅片的波幅與翅片間 距對其表面換熱與流動性能的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：波紋翅片的波幅越大、翅片間距越大 ,換熱因子 j 越大，即傳熱效果越好。隨著風(fēng)速的增加 ,翅片表面的換熱系數(shù)、 Nu 數(shù)以及壓降也隨之增加。作者以波紋形翅片表面為研究對象 ,利用 Fluent 軟件，進口條件設(shè)置為流量進口，出口條件為壓力出口，翅片表面和隔板設(shè)置為壁面，并在進出口處分別設(shè)置延伸段來使流場充分發(fā)展。 從上述的文獻綜述可看出 ,大量學(xué)者對翅片管換熱器的換熱特性進行研究并取得了一定的成果 ,但還存在如下兒個問題 : (1)目前對平翅片 ?管換熱器的流動與換熱特性研究得比較多 ,對波紋翅片管換熱器的研究還不夠完善 ,或者說針對波紋翅片管換熱器的換熱 機理研究不夠 。 片管式換熱器及發(fā)展趨勢 20世紀(jì) 60年代以前，普通的翅片管 式換熱器 多采用表面結(jié)構(gòu)未做任何處理的平翅片，這種形式的翅片除增大換熱面積來達到強化傳熱的效果以外，再無其他強化傳西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 熱作用。 通過調(diào)整換熱器的翅片間距，設(shè)計成為變翅片間距，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對其換熱性能與改進前換熱器進行對比計算，提高了換熱器的傳熱系數(shù)。 通過變翅片間距的結(jié)構(gòu)改進，冷風(fēng)機在外形尺寸即高度、寬度和管總長度不變的前提下，在結(jié)霜工況下運行時仍可保持較高的傳熱系數(shù)，且采用變翅片間距結(jié)構(gòu)的冷風(fēng)機比等翅片間距結(jié)構(gòu)冷風(fēng)機的傳熱系數(shù)提高了 ％，且傳熱面積有所提高，通過提高傳熱系數(shù)和傳熱面積從而達到強化傳熱的目的。采用擴展表面，對于縮小換熱器體積，提高換熱器效率有很重要的作用。管壁的粗糙以及規(guī)則出現(xiàn)的溝槽、凸肋，會破壞貼壁層流狀態(tài)，抑制邊界層的發(fā)展 。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 本文的研究工作 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(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。 具體內(nèi)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(rèn)為流動與換熱在經(jīng)過進口延長區(qū)后均已進入周期性充分發(fā)展階段，建立波紋翅片通道內(nèi)一個周期中的流動與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。 4. 數(shù)值計算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動阻力，模擬得出流場各參數(shù)分布，分析來流速度及管排數(shù)、管間距、翅片間距等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與努賽爾數(shù) Nu 和流動壓降△ P 的關(guān)系，并得出其對平直翅片管換熱因子 j、阻力系數(shù) f 及綜合性能參數(shù) j/f 的影響。而是本文中的溫度所在的區(qū)間是 ～ ，所以可以忽略輻射的影響。 從歷來的文獻中可以找到很多利用有限容積法求解換熱問題的例子，因此本文采 用此方法利用 FLUENT 軟件對波紋翅片的換熱和流動特性進行數(shù)值模擬計算，得到不同參數(shù)下的波紋翅片的溫度場和速度場，進而分析出各個幾何因素對翅片性能的影響規(guī)律。由于采 用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而 FLUENT 能達到最佳的收斂速度和求解精度。該定律可表述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同 一時間間隔內(nèi)流入該微元西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 體的凈質(zhì)量。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。 (3) 努塞爾數(shù)： ?ehDNu? 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 其中： h空氣對流換熱系數(shù)， W/(K (5) 換熱系數(shù)： mtAh ??? 其中：Φ 翅片與空氣總換熱量， w/m3； )( inoutpm ttCq ??? qm質(zhì)量流量， Kg/s； Cp空氣比熱容， J 物理模型的邊界條件及初始條件 為保證無回流，在空氣流動的方向上，入口、出口做適當(dāng)延長。在計算中，翅片和流體分別采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)。 (7) 對于 Y 方向上的空氣流道和進出口延長區(qū)均采用對稱絕熱邊界條件。求解這些代數(shù)方程組就獲得了 所需的數(shù)值解。 (2) 有限容積法 (Finite Volume Method， FVM) 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 有限容積法又稱為控制體積法。由于擴散項多是采用相當(dāng)于二階精度的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對流項上。 有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。 就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計算控制 體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數(shù)。CFD 這一始于本世紀(jì)三十年代到如今的計算機模擬技術(shù)，集流體力學(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 計算流體動力學(xué)的工作步驟 采用 CFD 方法對流體流動進行數(shù)值模擬過程（如圖 14），通常包括以下步驟： (1) 建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。該軟件專門用來進行流場分析、流場計算、流場預(yù)測。鑒于其多種優(yōu)點，目前利用 GAMBIT 和 FLUENT 進行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛，其中本文就是基于 Fluent 軟 件來進行研究的。對于二維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對于三維問題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。 程序結(jié)構(gòu) FLUENT 程序軟件包由以下幾個部分組成 : (1) GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成； (2) FLUENT用于進行流動模擬的求解器； (3) prePoF由于模擬 PDF 燃燒過程； (4) Tgrid用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格； (5) Filters(Translators) 轉(zhuǎn)換其它程序生成的 網(wǎng)格，用于 FLUENT 計算。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標(biāo)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(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程， discretization equation），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值 [8]。與實驗研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點： (1) 經(jīng)濟性好。 (2) 研究周期短。對一個問題進行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。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(shù)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。 理論分析方法的優(yōu)點在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可以為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 18 第三章 波紋翅片管換熱器流動換熱性能數(shù)值研究 本文研究的波紋翅片 管內(nèi)流體為水，翅片側(cè)流體為熱空氣 。m1 表 31 光滑波紋翅片 管翅式 換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù) 結(jié)構(gòu)名稱 符號 數(shù)值 圓管外徑 (mm) do 管壁厚度 (mm) δt 翅片厚度 (mm) δf 翅片間距 (mm) Fp 橫向間距 (mm) Pt 縱向間距 (mm) Pl 33 波峰到波谷投射長度 (mm) Xf 波峰到波谷高 度 (mm) Pd 管排 N 6 。圖 33 給出了一種管翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中 (a)為圓形翅片管翅式換熱器，也可稱為分離式管翅式換熱器， (b)為平直連續(xù)翅片管翅式換 熱器，平直翅片可用波紋翅片、開縫翅片和百葉窗翅片等所代替，它由管束和垂直管束的翅片組成。 換熱器的傳熱過程為：熱量由管外熱空氣通過翅片和管外壁 導(dǎo)熱傳給管內(nèi)壁，再以管內(nèi)流動的冷卻水以對流的形式將熱量帶走。 圖 32 管翅式換熱器 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計論文 20 (a) 圓翅分離式 (b) 平直連續(xù)式 圖 33 管翅式換熱器芯體示意圖 物理模型 與 數(shù)學(xué)描述 相比較人之形波紋翅片，光滑波紋翅片的換熱性能稍微減小，但是卻可以較大程度減小壓 降， 本節(jié)研究對象主要為 光滑波紋翅片管翅式換熱器 ，換熱器 基管 的材料為白銅，翅片的材料為鋁合金 。圖 35 所示為光滑波紋翅片的計算區(qū)域示意圖， x 為主流方向的坐標(biāo)軸， y 為垂直主流方向的坐標(biāo)軸， z 為翅片高度方向的坐標(biāo)軸。計算 區(qū)域（圖 36）的各邊界條件如下 進口：假定進口速度為均勻來流， 常數(shù)?u ， 0??wv ； 進口溫度為均勻溫度， 常數(shù)?inT 。 上下邊界：延長區(qū)假定對稱邊界條件， 0?????? zvzu ， 0?w ， 0???zT ，翅片區(qū)對速度為固體邊界條件 0??? wvu ，對溫度為對稱邊界條件 0???zT 。 圖 37 是 光滑波紋翅片管翅式換熱器物理模型 在迎風(fēng)速度vfr=（cDRe=10471）、四種不同網(wǎng)格的情況下的計算結(jié)果。 波紋翅片形狀的影響 波紋翅片一般分為 人字形和光滑形， 本節(jié)通過數(shù)值計算方法 來考察波紋翅片形狀對流動換熱的影響， 管子的材料為白銅，翅片的材料為鋁合金 。 5 6 7 8 93035404550 sm ooth w av y 計算值 herring bone w av y 計算值vfr / m /sNu 圖 38 翅片形式對波紋翅片換熱性能的影響 5 6 7 8 93004005006007008009001000 sm ooth w av y 計算值 herring bone w av y 計算值vfr / m /s?p / Pa 圖 39 翅片形式對波紋翅片 阻力性能的影響 10000 12020 14000 16000 18000 202000 .0 0 2 50 .0 0 30 .0 0 3 50 .0 0 40 .0 0 4 50