【正文】 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，建立平直翅片通道內(nèi)一個周期中的流動與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。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(shè)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。(6) 2006年，徐百平等[11]對換熱器內(nèi)的流動與傳熱進行了數(shù)值模擬研究。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，～，對流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線性增長。后來， Torikoshi對板間通道進行了3D數(shù)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(yīng)”抑制，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。(8) 2000年，Wangel對18種不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的空氣側(cè)換熱特性進行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對換熱特性的影響。(5) 1994年，康海軍[12]等對平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對9種不同結(jié)構(gòu)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(shù)，對于層流來講，片間距的增加會導(dǎo)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。以下就國內(nèi)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(jié)果表明翅片間距對換熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對的空氣壓降幾乎沒有影響[11]。[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。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(jié)果[10]。雖然在某些研究領(lǐng)域中，目前數(shù)值計算幾乎已取代了實驗研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實驗研究、理論分析與數(shù)值計算這三種研究手段則是相輔相成、互為補充的。(4) 具有模擬理想條件的能力。(3) 數(shù)據(jù)完整。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(xué)研究的重要性將越來越突出。由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對換熱效果的影響十分復(fù)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(xué)與計算流體動力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。 翅片管強化傳熱的數(shù)值解法隨著高速計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代計算技術(shù)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(shù)值方法來求解流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的各種各樣的問題。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。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(jīng)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]。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]。這幾個目的不可能同時滿足，因為它們是相互制約的，在選擇某一種強化技術(shù)前，必須先根據(jù)其具體任務(wù)，對設(shè)備體積、重量、投資及操作費用進行綜合平衡[4]。強化傳熱是實現(xiàn)換熱器高效、緊湊換熱的主要途徑，其基本元件的開發(fā)研究一直備受關(guān)注，各種行業(yè)對強化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強化傳熱技術(shù)總可以達到下列目的[2]：(1) 減少初設(shè)計的傳熱面積和重量；(2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；(3) 使換熱器在較低的溫差下工作；(4) 減少換熱器的阻力，以減少換熱器運行時的動力消耗；(5) 提高換熱器的換熱器能力，同時使得增加的阻力不至于太大。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運轉(zhuǎn)和改進對于整個企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動力消耗有著重要影響。它的任務(wù)是促進和適應(yīng)高熱流，以達到用最經(jīng)濟的設(shè)備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護高溫部件的安全運行，以及用最高效率來實現(xiàn)能源的有效利用。因而，對其翅片管束通道內(nèi)的流動與傳熱問題的研究具有十分重要的意義。第三部分 平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介該部分主要介紹了數(shù)值傳熱學(xué)理論及常用數(shù)值解法，并分析實驗法、分析法和數(shù)值解法各自的優(yōu)勢；描述了CFD理論思想基本概況、利用GAMBIT對計算區(qū)域離散的方法及FLUENT數(shù)值算法的選取。管徑10cm，管排縱向間距為22mm，橫向間距為16mm。原始數(shù)據(jù)：平直翅片管式換熱器在空調(diào)制冷、電子器件散熱設(shè)備中最為常見。通常管子以叉排和順排兩種方式排列，且流動換熱在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)各不相同，其流場與溫度場可用周期性的流動與換熱模型進行模擬，具體問題如下：流體橫掠平直翅片管管束，管內(nèi)外流體形成交叉流動，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對稱性，計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的一半來進行，橫向尺寸由管間中分面和管子中心縱剖面界定，高度由翅片厚度中分面及翅片間距中分面來界定?？諝馕镄詤?shù)為：　　第2頁，管外壁面溫度恒定：。第四部分 翅片管數(shù)值計算結(jié)果及分析該部分主要針對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管數(shù)值模擬的結(jié)果（速度場、壓力場及溫度場）進行顯示、并對數(shù)據(jù)整理，分析其各因素對翅片管換熱與阻力特性的影響。本文針對平直翅片管內(nèi)的流動特點，主要對以下內(nèi)容進行研究：簡單概述平直翅片管研究的動態(tài)及現(xiàn)狀，并在對比分析對其進行實驗法、分析法及數(shù)值方法的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定本文采用數(shù)值方法，使用GAMBIT軟件對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管建立物理模型，計算Re數(shù)與努塞爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f的關(guān)系，分析流動參數(shù)Reynolds數(shù)、翅片間距、管排數(shù)、翅片管管排間距（橫向間距和縱向間距）等因素對平直翅片管流動與換熱性能的影響，探討不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的流動特征及阻力特性，為工業(yè)應(yīng)用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。正因為如此傳熱強化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，無論在動力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程領(lǐng)域，還是航空航天、電子、核能等高技術(shù)領(lǐng)域，都不可避免的涉及熱量的傳遞及其強化問題。近十幾年來，世界面臨著能源短缺的局面，為緩和能源緊張的狀況，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。其中，方法(5)是一種嶄新的強化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強化換熱的方法會明顯帶來流動阻力的大幅增加，而很多時候阻力增加的代價是大于換熱增加帶來的效益的，出現(xiàn)這種情況就會得不償失了?，F(xiàn)在，對傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強化換熱研究主要集中在三大方向上[1]：一是開發(fā)新的換熱器品種，如板式、螺旋板式、振動盤管式、板翅式等等，這些換熱器設(shè)計思想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。 翅片管換熱器強化傳熱技術(shù)在強化傳熱方法研究中，換熱器氣體側(cè)的傳熱熱阻是提高換熱器傳熱效果的主要障礙。但由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)。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(chǎn)生橫向渦和縱向渦來使換熱強化。 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(nèi)熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側(cè)的熱阻比為2∶1∶7[5]。數(shù)值傳熱學(xué)（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱計算傳熱學(xué)（Computational Heat Transfer，CHT）是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法通過計算機予以求解的一門傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。與實驗研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點[9]：圖15 工程物理問題數(shù)值計算的一般步驟(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)。而數(shù)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?？偟膩碚f有以下的幾種方法：一是減小換熱管的結(jié)構(gòu)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。(2) 1978年，McQuiston發(fā)表了第一個基于五種結(jié)構(gòu)參數(shù)（、管排間距為22mm、管排數(shù)為4）的平翅片換熱及壓降通用關(guān)聯(lián)式[11]。并提出了在工業(yè)常用Re數(shù)范圍內(nèi)的換熱和阻力性能通用關(guān)聯(lián)式。指出在不同的雷諾數(shù)下，空氣側(cè)的換熱特性與翅片間距、 管排數(shù)和換熱管管徑有十分重要的關(guān)系[11]。(2) Ricardo也對板間的流體行為進行了3D模擬。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數(shù)值模擬結(jié)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。根據(jù)得到的換熱器通道內(nèi)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。 本文的主要研究內(nèi)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(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。2. 根據(jù)空調(diào)設(shè)備中常見的整體式平直翅片管尺寸結(jié)構(gòu)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(nèi)部導(dǎo)熱區(qū)域進行六面體網(wǎng)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。5. 對計算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進行后處理，并對數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論，為工業(yè)應(yīng)用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。K)。這樣可以對網(wǎng)格進行細化，同時節(jié)約了計算機資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對較短的時間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。表21 空氣物性參數(shù)（常物性）項目數(shù)據(jù)密度ρ/ kgK) 1導(dǎo)熱系數(shù)λ/ W控制方程如下：(1) 連續(xù)性方程，又稱質(zhì)量方程，任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。表示如下： (3) 能量方程，是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。S。(4) 范寧阻力系數(shù)： 其中：△P流體進出口壓降，Pa；τw壁面剪應(yīng)力，N/m2；L翅片縱向長度，S1。(6) j換熱因子： 其中：Pr普朗特數(shù)。(4) 對于翅片表面，翅片溫度需要在計算中確定，因而是一個耦合求解換熱問題。(6) 對于翅片間距中剖面采用對稱邊界條件(Symmetry)。其基本思想是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線的交點所組成的點的集合來代替，以Taylor級數(shù)展開等方法，把描寫所研究的流動與傳熱問題的偏微分方程中的每一個導(dǎo)數(shù)項用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，其中包含了本節(jié)點及其附近一些節(jié)點上所求量的未知值。其不足是離散方程的守恒特性難以保證，而最嚴重的缺點則是對不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性差。有限容積法從描寫流動與傳熱問題的守恒型控制方程出發(fā)，對它在控制容積上作積分，在積分過程中需要對界面上被求函數(shù)的本身（對流通量）及其一階導(dǎo)數(shù)的（擴散通量）構(gòu)成方式作出假設(shè)，這就形成了不同的格式。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式，便構(gòu)成不同的有限元方法。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。而有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。有限體積法只尋求的結(jié)點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網(wǎng)格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。[18] CFD概述 計算流體動力學(xué)簡介計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。(2) 尋求高效率、高準確度的計算方法，即建立針對控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。(4) 顯示計算結(jié)果。 CFD軟件介紹隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動理論的商用CFD軟件。CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成（如圖31）。FLUENT集成的前處理軟件GAMBIT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。目前利用GAMBIT和FLUENT進行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛。 平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬 計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分數(shù)值模擬首先就要對計算區(qū)域進行離散化，即網(wǎng)格劃分。因為網(wǎng)格的正交性越好，計算越準確，越易收斂，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，網(wǎng)格生成的速度較快，質(zhì)量較好，同時對于體劃分六面體結(jié)構(gòu)簡單，計算容易收斂。(4) 對翅片區(qū)域全流場采用Cooper方法生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)控制在200000以內(nèi)。 控制方程的離散及收斂標準本文研究為不可壓縮空氣穩(wěn)態(tài)的層流流動，對于控制方程的離散：連續(xù)性方程采用Standard格式，動量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)差分格式（Second Order Upwind），并選擇標準的Simple算法求解壓力速度耦合問題。然后分析雷諾數(shù)Re、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對換熱系數(shù)h、流動壓降△P的影響，得出結(jié)論。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。通道中部溫度漸變發(fā)展，并可以明顯看到管后方的尾流區(qū)，該