【正文】 料方面的優(yōu)越性，如今在石油化工、能源動(dòng)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(shí)對(duì)不同尺寸的波紋翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬分析并計(jì)算出各個(gè)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(jiàn)的翅片類型 ,它在增加傳熱面積和加強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn) : (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(dòng)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(qiáng)效果也越大。 波紋翅片的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)特性，因此波紋翅片在各類強(qiáng)化換熱場(chǎng)合中的應(yīng)用比較廣泛 , 也是研究關(guān)注的熱點(diǎn)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(yùn)用 Ue 瑞流模型欖擬空調(diào)單元空氣流動(dòng)，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(shí)驗(yàn)研究水平翅片自然對(duì)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(duì)翅片管換熱器的入口處中氣流動(dòng)損失進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究 ,發(fā)現(xiàn)入口交氣流動(dòng)損失量與通過(guò)換熱器的中氣平均速度無(wú)關(guān) ,而與入口處空氣和進(jìn)口的傾斜角有關(guān) 。結(jié)來(lái)表明 ,空氣側(cè)的傳熱系數(shù)比文獻(xiàn)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(duì)不同排管的換熱器 ,以管外徑為均最進(jìn)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(huì)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(duì)溫度和流動(dòng)分的影響。 2020印 ,BoiTajoPelaez 等 [19]對(duì)平翅片管空氣側(cè)換熱特性模擬。由于設(shè)備運(yùn)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(guó)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(duì)描寫流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程采用數(shù)值方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)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(guò)數(shù)值模擬可以得到整個(gè)流場(chǎng)的基本信息，再通過(guò)計(jì)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比觀察，得到所要結(jié)果。然后進(jìn)一步分析了波紋翅片的波幅與翅片間 距對(duì)其表面換熱與流動(dòng)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(duì)象 ,利用 Fluent 軟件，進(jìn)口條件設(shè)置為流量進(jìn)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(jìn)出口處分別設(shè)置延伸段來(lái)使流場(chǎng)充分發(fā)展。 從上述的文獻(xiàn)綜述可看出 ,大量學(xué)者對(duì)翅片管換熱器的換熱特性進(jìn)行研究并取得了一定的成果 ,但還存在如下兒個(gè)問(wèn)題 : (1)目前對(duì)平翅片 ?管換熱器的流動(dòng)與換熱特性研究得比較多 ,對(duì)波紋翅片管換熱器的研究還不夠完善 ,或者說(shuō)針對(duì)波紋翅片管換熱器的換熱 機(jī)理研究不夠 。 片管式換熱器及發(fā)展趨勢(shì) 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(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的效果以外，再無(wú)其他強(qiáng)化傳西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 熱作用。 通過(guò)調(diào)整換熱器的翅片間距，設(shè)計(jì)成為變翅片間距，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)其換熱性能與改進(jìn)前換熱器進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，提高了換熱器的傳熱系數(shù)。 通過(guò)變翅片間距的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，冷風(fēng)機(jī)在外形尺寸即高度、寬度和管總長(zhǎng)度不變的前提下，在結(jié)霜工況下運(yùn)行時(shí)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(jī)比等翅片間距結(jié)構(gòu)冷風(fēng)機(jī)的傳熱系數(shù)提高了 ％，且傳熱面積有所提高，通過(guò)提高傳熱系數(shù)和傳熱面積從而達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。采用擴(kuò)展表面，對(duì)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(huì)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(jì)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(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動(dòng)，翅片管管壁面溫度恒定，且認(rèn)為流動(dòng)與換熱在經(jīng)過(guò)進(jìn)口延長(zhǎng)區(qū)后均已進(jìn)入周期性充分發(fā)展階段，建立波紋翅片通道內(nèi)一個(gè)周期中的流動(dòng)與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。 4. 數(shù)值計(jì)算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動(dòng)阻力，模擬得出流場(chǎng)各參數(shù)分布，分析來(lái)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(dòng)壓降△ P 的關(guān)系，并得出其對(duì)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(lái)的文獻(xiàn)中可以找到很多利用有限容積法求解換熱問(wèn)題的例子，因此本文采 用此方法利用 FLUENT 軟件對(duì)波紋翅片的換熱和流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到不同參數(shù)下的波紋翅片的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，進(jìn)而分析出各個(gè)幾何因素對(duì)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(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同 一時(shí)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(jì)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(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)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(jì)論文 10 其中： h空氣對(duì)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(wú)回流，在空氣流動(dòng)的方向上，入口、出口做適當(dāng)延長(zhǎng)。在計(jì)算中，翅片和流體分別采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)。 (7) 對(duì)于 Y 方向上的空氣流道和進(jìn)出口延長(zhǎng)區(qū)均采用對(duì)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(jì)論文 12 有限容積法又稱為控制體積法。由于擴(kuò)散項(xiàng)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(duì)流項(xiàng)上。 有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)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(wú)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(jì)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(duì)微分方程中不同的項(xiàng)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟 采用 CFD 方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程（如圖 14），通常包括以下步驟： (1) 建立反映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。這里的計(jì)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(jì)算結(jié)果一般通過(guò)圖表等方式顯示，這對(duì)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(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)。鑒于其多種優(yōu)點(diǎn)，目前利用 GAMBIT 和 FLUENT 進(jìn)行工程計(jì)算和模擬已經(jīng)越來(lái)越廣泛，其中本文就是基于 Fluent 軟 件來(lái)進(jìn)行研究的。對(duì)于二維問(wèn)題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對(duì)于三維問(wèn)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(gè)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(jìn)行流動(dòng)模擬的求解器； (3) prePoF由于模擬 PDF 燃燒過(guò)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(jì)算。數(shù)值傳熱學(xué)求解問(wèn)題的基本思想是：把原來(lái)在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)（如速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等），用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)， node）上的值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則建立起這些離散點(diǎn)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(lái)的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值 [8]。與實(shí)驗(yàn)研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)： (1) 經(jīng)濟(jì)性好。 (2) 研究周期短。對(duì)一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。人們有時(shí)為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實(shí)現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動(dòng)充分發(fā)展等等，在數(shù)值計(jì)算中很容易實(shí)現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實(shí)驗(yàn)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(diǎn)在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見(jiàn)，可以為檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。 西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 18 第三章 波紋翅片管換熱器流動(dòng)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(hào) 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(zhǎng)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(kāi)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(guò)程為：熱量由管外熱空氣通過(guò)翅片和管外壁 導(dǎo)熱傳給管內(nèi)壁，再以管內(nèi)流動(dòng)的冷卻水以對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(jì)算 區(qū)域（圖 36）的各邊界條件如下 進(jìn)口：假定進(jìn)口速度為均勻來(lái)流， 常數(shù)?u ， 0??wv ； 進(jìn)口溫度為均勻溫度， 常數(shù)?inT 。 上下邊界：延長(zhǎng)區(qū)假定對(duì)稱邊界條件， 0?????? zvzu ， 0?w ， 0???zT ，翅片區(qū)對(duì)速度為固體邊界條件 0??? wvu ，對(duì)溫度為對(duì)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(jì)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(guò)數(shù)值計(jì)算方法 來(lái)考察波紋翅片形狀對(duì)流動(dòng)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(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值vfr / m /sNu 圖 38 翅片形式對(duì)波紋翅片換熱性能的影響 5 6 7 8 93004005006007008009001000 sm ooth w av y 計(jì)算值 herring bone w av y 計(jì)算值vfr / m /s?p / Pa 圖 39 翅片形式對(duì)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