【正文】 區(qū)域溫度梯度較大。而在管后壓力變化平坦。 雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f關(guān)系圖49 Re數(shù)與阻力系數(shù)f關(guān)系圖隨著流速的增加，流動通道內(nèi)的平均速度梯度也會增大，流體的粘性力也會增大，故流動阻力隨流速增加而增加。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。分析原因如下：平直翅片管翅片側(cè)的流動情況十分復(fù)雜，流動形式主要是邊界層流動和漩渦流。 翅片間距對壓降特性的影響圖413 不同翅片間距下Re與f關(guān)系圖圖412 不同翅片間距下速度與壓降關(guān)系圖 圖412顯示出不同間距下，空氣進(jìn)出口壓降與來流速度u的關(guān)系，明顯看出：隨翅片間距的減小，流動壓降逐漸增大，且隨著雷諾數(shù)的增大，流動阻力增加的幅度也在增加。排數(shù)取為4排。由圖415和圖418得，管子前緣壓力梯度較大，后緣區(qū)壓力變化都較平緩，主要由于：一方面流速降低會使靜壓增大，而另一方面由于壁面剪切力會使壓力降低。 管排數(shù)對壓降特性的影響圖421 不同管排流道內(nèi)速度與壓降關(guān)系圖由上圖明顯看出，隨著流動方向管排數(shù)的增加，空氣進(jìn)出口壓降呈指數(shù)增大，且流速較小時，不同管排數(shù)壓降相差較小，隨著流速的增加，不同管排的空氣側(cè)阻力相差也變大。 不同橫向間距的管排內(nèi)流場分布圖423 圖422 圖425 圖424 圖426 圖427 以上為翅片管橫向間距/、壓力、速度場分布圖。 管排縱向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對不同縱向間距的翅片管進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其對換熱與阻力特性的影響。 縱向間距對換熱性能的影響圖436 不同縱向間距uh關(guān)系圖由圖看出，在流速較小時（約為u），隨著管排縱向間距的增大，換熱性能變強(qiáng)，隨著流速的增加，管排縱向間距越大，換熱性能變差。 管排方式對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本小節(jié)針對雙排翅片管不同管排方式，即順排和叉排，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬其流場的溫度、壓力分布，并計(jì)算分析其在換熱與阻力性能的差異。 順排、叉排方式換熱性能的差異分析圖446 不同管排方式uh關(guān)系圖由上圖uh關(guān)系圖得出，在研究的來流速度范圍內(nèi)，叉排管束的換熱性能要明顯優(yōu)于順排管束，從速度場、溫度場分析，主要由于順排時前、后排管的尾流區(qū)連接在一起形成了寬度為D的尾流通道，其寬度和面積都比交叉排列時大，而尾流漩渦區(qū)的速度幾乎為零，換熱能力很差，從而導(dǎo)致順排傳熱性能比叉排方式要差。本文就針對空調(diào)內(nèi)常用的翅片管換熱器為實(shí)際模型，建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了多種因素與翅片管換熱與流動特性的關(guān)系，并在整個學(xué)習(xí)計(jì)算過程中得出以下結(jié)論：(1) 在對物理模型劃分網(wǎng)格時，根據(jù)流體流動特性進(jìn)行劃分，在速度、壓力、溫度梯度較大區(qū)域要進(jìn)行網(wǎng)格加密，在近壁面處由于邊界層影響，也要進(jìn)行加密，從而使計(jì)算更精確、更易收斂。(3) 對于翅片間距的影響，當(dāng)空氣進(jìn)口速度u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力h是逐漸降低的；當(dāng)u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。(6) 對于管排縱向間距，縱向間距越大，換熱系數(shù)h略有下降，但在本研究范圍內(nèi)影響不大。陰繼翔老師淵博的學(xué)識、敏銳的思維、民主而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和對事業(yè)的執(zhí)著精神給了本人很大的啟迪和深刻的影響，使本人受益匪淺，使本人培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，這對你本人以后的學(xué)生和生活有深遠(yuǎn)影響。這些工業(yè)過程也為能量回收和進(jìn)行流體加熱/冷卻提供了一個來源。流體速度和溫度的瞬態(tài)測量已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。高效換熱器的發(fā)展需要更高效率的技術(shù)來交換存在于擴(kuò)展表面和環(huán)境流體之間的大量的熱。在空氣液體換熱器的典型應(yīng)用中，空氣側(cè)的阻力占主導(dǎo)地位。之前已經(jīng)對各種各樣的強(qiáng)化面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以此來測評強(qiáng)化換熱面的傳熱性能和流量分布。Yu等人（2005年）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究來比較平直翅片表面的熱力性能。Molki 和HashemiEsfahanian（1992年）討論了折流擋板內(nèi)邊界附近強(qiáng)化傳熱的方法。雖然從傳熱效率的角度看百葉窗式翅片是有優(yōu)勢的，但是百葉窗的形成增加了翅片板的機(jī)械應(yīng)力并且導(dǎo)致?lián)Q熱面的變形/失敗。Dorignac等人（2005年）實(shí)驗(yàn)性地研究了針對多孔板的對流換熱。從結(jié)果中得出，一個經(jīng)過傳熱強(qiáng)化的面可以設(shè)計(jì)出來并可以適用于更寬泛的Re數(shù)范圍。這包括：(1) 評價材料成分對換熱面的設(shè)計(jì)（包括傳熱和流動分布）的影響；(2) 評價表面粗糙度對換熱面設(shè)計(jì)的影響；(3) 評價百葉窗式表面或開孔式表面對換熱器設(shè)計(jì)的影響；(4) 確定Re數(shù)對換熱表面設(shè)計(jì)的影響。Sara等人（2000年）測定了附著在一個平面上，一個矩形管道里的固體和穿孔矩形塊的熱力性能。為了評估百葉窗式換熱器的總體的換熱特性，已經(jīng)做了大量的研究。Li和Chen（2007年）利用紅外熱成像法對平直翅片面在受限的沖擊射流條件下的性能進(jìn)行了研究。Sparrow和Hajiloo（1980年）對與流體流動平行布置的交錯平板陣列的換熱性能進(jìn)行了研究。強(qiáng)化換熱面導(dǎo)致一系列變化：擾動的增強(qiáng)；二次流的產(chǎn)生；熱邊界層厚度的減薄和換熱面積的增加。這些換熱器通常由連續(xù)不斷的金屬翅片組成，這些翅片又被內(nèi)聯(lián)或交錯的管束穿在一起。這里強(qiáng)化傳熱面的測評顯示傳熱性能提升了超過40%，同時還產(chǎn)生了一個更加均勻的流量分布。這項(xiàng)研究涉及到能夠產(chǎn)生增強(qiáng)流體擾動并有較好流量分布的強(qiáng)化傳熱面。為了能夠了解存在于光滑平行平板陣列之間的基本流動，前人已經(jīng)做了大量的研究。(7) 對于管排方式，叉排換熱性能明顯好于順排，但流動阻力也較順排方式大。(4) 對于管排數(shù)的影響，單排管換熱性能優(yōu)于雙排管束，且管排越多，壓降越大。且管壁前緣換熱較強(qiáng)，管后尾流區(qū)存在滯止渦流，使管后面積不能得到有效利用，換熱很差。結(jié) 論平直翅片管換熱器是工業(yè)傳熱過程中的關(guān)鍵設(shè)備，以其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧緊湊、高效耐用、綜合性能較好等特殊優(yōu)點(diǎn)，已在制冷空調(diào)、電子器件散熱及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 順排、叉排的流場分布 圖439 順排管束溫度分布圖圖438 叉排管束溫度分布圖 圖441 順排管束速度分布圖圖440 叉排管束速度分布圖圖443 順排管束流線圖圖442 叉排管束流線圖 圖445 順排管束壓力分布圖圖444 叉排管束壓力分布圖 上圖顯示出叉排、順排管列的溫度、速度、壓力及流線分布，對比得出，順排管束流道內(nèi)的溫度、壓力分布更加平緩，尤其是一二排管之間的壓力場。 縱向間距對阻力性能的影響圖437 不同縱向間距速度與壓降關(guān)系圖由圖437可明顯看出趨勢，縱向間距越大，壓降越小，流動阻力越小，且當(dāng)流速較小時，縱向間距對阻力特性影響較小，隨著流速增加，不同縱向間距翅片管壓降差別也愈明顯。 不同縱向間距管排內(nèi)流場的分布 圖431 圖430 圖433 圖432 圖435 圖434 以上為翅片管縱向間距/、壓力、速度場分布圖。 橫向間距對換熱性能的影響圖428 不同橫向間距uh關(guān)系圖由上圖uh關(guān)系看出，管排橫向間距對翅片管的換熱性能有較大影響，隨著橫向間距的增大，換熱系數(shù)減小，換熱能力下降，說明間距越小換熱性能越好，這主要由于當(dāng)間距增加時，管子之間的流道變寬，流動更加順暢，使尾跡區(qū)擾動減弱，換熱減弱。本節(jié)針對不同橫向間距的翅片管，來分析其對換熱與阻力性能的影響。 管排數(shù)對換熱特性的影響圖420 不同管排流道內(nèi)uh關(guān)系圖由上圖得，在雷諾數(shù)Re=750～1700的研究范圍內(nèi)，單排管的換熱性能明顯好于雙排管。其中，由圖417看出，每排管后都存在明顯的渦流，且該區(qū)域溫度很高。從圖413看出，在相同雷諾數(shù)Re下，翅片間距越小，阻力系數(shù)越大，尤其是在低雷諾數(shù)下，翅片間距對摩擦系數(shù)的影響較大，隨著雷諾數(shù)的增大，摩擦系數(shù)下降幅度減小。間距越小，渦流運(yùn)動空間就越小，受壁面粘性阻力影響，速度減小越快，換熱減弱，故Re較大時，翅片間距越大，換熱性能越好。計(jì)算表明：翅片間距對換熱性能的影響與雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)空氣進(jìn)口速度u（對應(yīng)Re數(shù)在1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力是逐漸降低的；當(dāng)u（Re1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。 雷諾數(shù)Re與綜合性能指數(shù)j/f的關(guān)系圖410 Re數(shù)與綜合性能指數(shù)j/f關(guān)系圖由上圖可以看出，在研究范圍內(nèi)，綜合性能指數(shù)j/f隨雷諾數(shù)的增大而逐漸降低的，表明隨著流速的增加，空氣流動的換熱增強(qiáng)，同時流動阻力也增大，但換熱性能增加的要大，翅片管流動與換熱的綜合性能變好。同時，由速度場和溫度場可以看出，由于管子前額邊界層較薄，熱阻較小，且溫度梯度大，故平直翅片管換熱主要集中在管道的迎風(fēng)面，翅片的前緣效應(yīng)使得傳熱得到強(qiáng)化。圖44為由耦合求解得到的翅片表面溫度分布，可以看出壁面溫度保持在318K，基本維持恒壁溫。由圖443看出，當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時，流體緩慢的繞過管子不會發(fā)生脫體，而隨著雷諾數(shù)增大到一定值，近壁處的流體受壁面影響由于動量不大，由于邊界層厚度的增加，速度降為零發(fā)生回流，形成繞流脫體現(xiàn)象，并在管后形成滯止漩渦。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s、對應(yīng)雷諾數(shù)變化范圍約1000～2450。給定不同的進(jìn)口速度(～ m/s)，在 PC機(jī)上借助FLUENT軟件,分別計(jì)算分析傳熱及阻力。通常隱式算法的計(jì)算收斂速度是顯式的2倍，而需要的內(nèi)存也需相應(yīng)增加1倍；非耦合算法比耦合算法需要的內(nèi)存少，并且求解過程中靈活性好，但求解精度較低，但非耦合求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動。(2) 對于管子周圍及近翅片等流動參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密。為了簡化計(jì)算，本文由于幾何模型的對稱性，只取流動通道的一半來研究，這樣大大減少離散單元數(shù)目，節(jié)省計(jì)算所需內(nèi)存和計(jì)算時間。 利用FLUENT的求解步驟在使用FLUENT前，應(yīng)針對所要求解的物理問題，制訂比較詳細(xì)的求解方案，應(yīng)先考慮幾個主要因素，包括決定CFD模型目標(biāo)、選擇物理模型和計(jì)算模型、決定求解過程。FLUENT還可根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，對網(wǎng)格進(jìn)行整體或局部的細(xì)化和粗化，自適應(yīng)網(wǎng)格就是計(jì)算到一定的步驟后 對初算結(jié)果進(jìn)行分析，自動在速度、壓力等變化梯度比較大的地方增加網(wǎng)格密度，這樣使問題得到快速合理的解決，滑移網(wǎng)格采用在流體方向變化較大，如活塞運(yùn)動的情況下，這時網(wǎng)格隨流動滑移，增加問題的收斂性及準(zhǔn)確性。圖31 CFD軟件的一般組成結(jié)構(gòu) FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介，繼PHOENICS軟件之后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。通過CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預(yù)測性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。 計(jì)算流體動力學(xué)的特點(diǎn)CFD的長處是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣。(3) 編制程序和進(jìn)行計(jì)算。具體說就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。其基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。因而針對上述常用的數(shù)值計(jì)算方法，從實(shí)施的難易及發(fā)展成熟程度而言，有限容積方法研究最為活躍，用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)物理意義明確,計(jì)算量相對較小。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并將其作為近似解。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。在有限元方法中，把計(jì)算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。用有限容積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性，對區(qū)域形狀的適應(yīng)性也比有限差分法要好，是目前應(yīng)用最普遍的一種數(shù)值方法。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。該方法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法，數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。圖25 邊界條件設(shè)定圖第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介 常用數(shù)值計(jì)算方法簡介數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的計(jì)算誤差，但由于它在求解復(fù)雜微分方程時的獨(dú)特優(yōu)勢，依然得到廣泛的應(yīng)用，并且通過CFD軟件得以商業(yè)化運(yùn)行。在GAMBIT中建立導(dǎo)熱與換熱混合邊界條件，用Split Volume工具得到 WallShadow耦合邊界條件(Coupled)，這種邊界條件可以實(shí)現(xiàn)流體和固體的耦合換熱。邊界條件的具體確定如下(如圖25示)：(1) 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認(rèn)為翅片根部及翅片翻邊部分溫度與鋁制管壁為恒壁溫條件318K。(gm2)；空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(K表示如下：其中：u、v、w分別是速度矢量在x、y、z三個方向上的分量； 是密度； P是作用在微元體上的壓力； a是熱擴(kuò)散率； T是溫度。對于本文研究問題可簡化為：(2) 動量方程，也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。K) 1進(jìn)口流速u / ms105比熱Cp/ J（如圖24）圖24 平直翅片管式換熱器單元結(jié)構(gòu) 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡化假設(shè) 基本簡化假設(shè)與定解條件① 忽略翅片和基