【正文】 .. 27 翅片間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 ............................................... 32 管排數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 ................................................... 33 管排橫向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 ....................................... 35 管排縱向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 ....................................... 38 管排方式對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 ............................................... 40 結(jié) 論 ................................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 44 外文原文 ................................................................................................................................. 47 中文翻譯 ................................................................................................................................. 53 1 第一章 緒論 課題背景及研究意義 強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述 強(qiáng)化傳熱是上世紀(jì)六十年代開始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占 30%～ 40%；在制冷機(jī)組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機(jī)組總重量的 30%～ 40%，動(dòng)力消耗占總值的 20%～ 30%；在熱電廠中，如果將鍋爐也視作換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的 70%左右 [2]。換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強(qiáng)化換熱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)可滿足不同的要求，如減少初次傳熱面積以減小換熱器的體積和重量，或提高換熱器的換熱能力，或增大換熱溫差，或減少換熱器的動(dòng)力消耗。無(wú)論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來(lái)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn)，但這些方法有許多缺點(diǎn)，例如換熱管的加工制作工藝過(guò)于復(fù)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(qiáng)的同時(shí)，阻力也相對(duì)增大許多，從而造成運(yùn)行成本的提高等。在層流對(duì)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(duì)層流換熱所采取的強(qiáng)化措施是使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的 3 徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強(qiáng)化層流換熱。 采用附加表面來(lái)增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布就是強(qiáng)化空氣側(cè)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(lái)的。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(diào)、化工、電子微器件散熱（如 CPU 熱管式散熱器 圖 11 翅片管式換熱器實(shí)物模型 4 圖 12 和 13）等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用 [7]。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對(duì)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(duì)改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計(jì)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(dǎo)意義。上述基本思想可以用圖 15 來(lái)表示。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。它能夠提供在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。 數(shù)值計(jì)算方法的這些優(yōu)點(diǎn)使人們熱衷于計(jì)算機(jī)的分析，但是它也有一些局限性。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。它可以通過(guò)比較各種型號(hào)的換熱器的換 7 熱和流動(dòng)阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動(dòng)性能，對(duì)換熱器的開發(fā)和設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來(lái)看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢(shì)，從以前的 ， 到現(xiàn)在的 ；二是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度，可通過(guò)不斷改變氣流來(lái)流方向，來(lái)達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)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(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。 (3) 1986 年， Gray 和 Webb 又提出了管排數(shù)大于 4 排的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其關(guān)聯(lián)式能較好地預(yù)測(cè)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]。 (6) 1996 年，何國(guó)庚 [13]等分別對(duì) 16 排、 26 排和 32 排的平翅片空氣冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，指出風(fēng)速對(duì)風(fēng)側(cè)阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時(shí)，風(fēng)速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)速的影響也趨向穩(wěn)定。 (9) Sparrowe 也對(duì)單排及雙排平直管換熱器進(jìn)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(shù)的情況下才獲得 [11]。同時(shí)借助可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了翅片間距對(duì)傳熱、流阻的影響。 (4) 2020 年，西安交通大學(xué)宋富強(qiáng)，屈治國(guó) [14]等對(duì)翅片管散熱器進(jìn)行了低速下流動(dòng)和換熱的數(shù)值模擬 ，得到了流速與換熱系數(shù)的關(guān)系，以及不同流速下翅片管流動(dòng)與換熱的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和速度與溫度梯度的夾角場(chǎng)，并首次利用場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)行了分析 9結(jié)果表明：當(dāng)流速很低時(shí)，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場(chǎng)的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場(chǎng)的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。 (7) 2020 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(shù) Red 對(duì)雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)特性的影響，研究成果豐富。作為其中的關(guān)鍵部件，換熱器的性能與效率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。 12 第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)程的描述 流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結(jié)構(gòu)的存在及管外流道的周期性變化特性使得流體在沿流向呈周期性變截面通道中流動(dòng)時(shí)，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進(jìn)入充分發(fā)展段，流動(dòng)與換熱具有 周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動(dòng)與換熱?；境叽缛缦拢汗茏又睆?D= 10mm，管排橫向間距S2= 22mm，管排縱向間距 S1= 16mm，翅片厚度δ = ，翅片間距 S= 。（如圖 23） 另外，為了保證流體進(jìn)口處于充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)避免出流邊界回流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)口延長(zhǎng) 1～ 2 倍，出口延長(zhǎng) 5～ 6 倍，保證出口邊界沒(méi)有回流。m 3 粘度μ / Pa (m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。 16 (3) 努塞爾數(shù)： ?ehDNu? 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； )( ino u tpm 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) 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 19 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。故有限容積法是 CFD 進(jìn)行數(shù)值計(jì)算采用最多一種方法，其中最普及的 Fluent 軟件就是其中之一。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。 除以上三種數(shù)值計(jì)算方法外，