【正文】 還有有限分析法等 [8]。 (3) 有限元法 (FiniteElementMethod， FEM) 有限元方法的基礎(chǔ)是變 分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。其中的 未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。 在規(guī)則區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上，有限差分法是十分簡便而有效的，而且很容易引入對流項的高階格式。目前，根據(jù)對控制方程離散方式的不同，對流換熱問題應(yīng)用研究中所涉及到的常用的數(shù)值計算方法主要有以下幾種 [6]： (1) 有限差分法 (Finite Difference Method， FDM) 有限差分法是求取偏微分方程數(shù)值解的最古老的方法，對簡單幾何形狀中的流動與傳熱問題也是一種最容易實施的方法。 (5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認(rèn)為絕熱條件 (Heatflux 為 0)。 (2) 空氣入口溫度為 308K，采用均勻來流的速度入口 (velocityinlet)，其中： u(x,y,z)|in=uin； v(x,y,z)|=0； w(x,y,z)|=0 (3) 空氣出口采用自由方式流出，采用局部單向化 (outflow)。 K) 1； Tin， Tout空氣進出口平均溫度， K A翅片與管壁總換熱面積， m2； △ tm對數(shù)平均溫差， K； )ln ()()(outbinboutbinbmttttttttt??????? Tb翅片壁面平均溫度， K。m) 。 相關(guān)參數(shù)的確定 (1) 當(dāng)量直徑： 本文當(dāng)量直徑取為翅片管外徑 De= Do= 10mm (2) 雷諾數(shù)： ?? ma xRe Deu? 其中： ? 空氣密度， kg/m3； De當(dāng)量直徑， m； Umax流道最小截面空氣流速， m/s； ? 空氣粘度， Pa該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。 s1 ～ 基本控制方程 本文計算為三維流動，假設(shè)空氣流動是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動，由于進口延長區(qū)的存在，認(rèn)為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動與換熱已進入周期性的充分發(fā)展階段。 (g（空氣物性參數(shù)如表21）； ⑤ 對輻射換熱和重力影響忽略不計。由于幾何結(jié)構(gòu)的對稱性和周期性，本文計算區(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。 平直翅片管換熱器物理模型的建立 物理模型的幾何尺寸 本文計算模型的幾何尺寸是在參照目前商用空調(diào)換熱器常用的尺寸基礎(chǔ)上確定的，并通過前處理軟件 GAMBIT 建立模型，兩者的外形基本相同，翅片及基管均為鋁質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)為 W/ (m 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。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?fù)Q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) 2020 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，風(fēng)速為 ～ ，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) 2020 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： 8 平直翅片管實驗研究進展及成果 (1) 早在 1971 年， Rich 就對管徑為 ，管排間距為 和管列間距為 的 16 種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進行了實驗研究，實驗結(jié)果表明翅片間距對換 9 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。本文將針對平直翅片管對換熱特性與流動阻力的影響利用商業(yè)軟件 進行數(shù)值模擬。 圖 12 忍者 I 代塔式穿 fin 散熱器 圖 13 10 熱管穿 finCPU散熱器 圖 14 平直翅片管模型 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。 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]。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。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)。 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。 現(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。 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。 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。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。 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，并通過 軟件對其翅片管通道內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬，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)。 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?？諝馕镄詤?shù)為 ： 第 2 頁 3 3mkg1225ρ ? ， smkg101 .7 8 9 4μ 5 ??? ， KkgJ10 06 .43C p ?? ， ?? ，管外壁面溫度恒定： K318Tw ? 。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。 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。翅片管基本尺寸保持翅片厚度為 ，管徑 10cm，翅片間距為 ，管排縱向間距為 22mm，橫向間距為 16mm。 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