【正文】 本概況、利用 GAMBIT 對(duì) 計(jì)算區(qū)域離散的方法及 FLUENT 數(shù)值算法的選取。因而，對(duì)其翅片管束通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱問題的研究具有十分重要的意義。它的任 務(wù)是促進(jìn)和適應(yīng)高熱流，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護(hù)高溫部件的安全運(yùn)行，以及用最高效率來實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)于整個(gè)企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動(dòng)力消耗有著重要影響。 強(qiáng)化傳熱是實(shí)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(duì)強(qiáng)化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)總可以達(dá)到下列目的 [2]： (1) 減少初設(shè)計(jì)的傳熱面積和重量； (2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力； 2 (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(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗； (5) 提高換熱器的換熱器能力，同時(shí)使得增加的阻力不至于 太大。這幾個(gè)目的不可能同時(shí)滿足，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ブ萍s的，在選擇某一種強(qiáng)化技術(shù)前，必須 先根據(jù)其具體任務(wù)，對(duì)設(shè)備體積、重量、投資及操作費(fèi)用進(jìn)行綜合平衡 [4]。因此，它們?cè)趶?qiáng)化效果、加工造價(jià)、流道通暢、使用壽命、流動(dòng)阻力等方面上都有待改進(jìn)，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]。在湍流對(duì)流換熱情況下，由于流體核心的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)都已經(jīng)比較均勻，對(duì)流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對(duì)湍流換熱所采取的主要強(qiáng)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(qiáng)換熱能力 [6]。 翅片的發(fā)展主要分為三個(gè)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。采用平直翅片加強(qiáng)傳熱的機(jī)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(qiáng)烈的紊動(dòng)，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 隨著高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和現(xiàn)代計(jì)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(jì)算機(jī)作為模擬和實(shí)驗(yàn)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。 由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對(duì)換熱效果的影響十分復(fù)雜，以解析方法及 實(shí)驗(yàn)方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算傳熱學(xué)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的成本要比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究的成本低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一個(gè)設(shè)計(jì)者能夠在一天之內(nèi)研究出多種方案，并從中選擇最佳的設(shè)計(jì)，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究卻需要很長的時(shí)間。與實(shí)驗(yàn)的情況不同，在計(jì)算中幾乎沒有不能達(dá)到的位置。因?yàn)榻Y(jié)果的準(zhǔn)確度是由數(shù)學(xué)模型的精度和數(shù)值方法共同決定，因此數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法必須都具有良好的完善性，而且對(duì)于十分復(fù)雜的問題，數(shù)值解目前也很難獲得。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是研究流動(dòng)與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，一方面補(bǔ)充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，另一方面為工程設(shè)計(jì)人員提供新的技術(shù)支持，同時(shí)還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因而其重要性不容低估。 總之，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天的階段，把實(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論分析與數(shù)值模擬這三種研究手段有機(jī)而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來，是研究流動(dòng)與傳熱問題的理想而有效的方法。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。 (4) 1991 年， Seshimo and Fujii 在迎面風(fēng)速為 ，對(duì) 21 種平翅片形換熱器進(jìn)行了研究。 (7) 1996 年以來， Wangel一直致力于翅片管的研究，對(duì)平翅片換熱器也做了大量的研究，同時(shí)針對(duì)翅片換熱器的發(fā)展形式，對(duì)小管徑和小結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行了研究，得出大量十分有價(jià)值的研究成果。 平直翅片管數(shù)值研究進(jìn)展及成果 (1) Saboya 在研究此問題時(shí)指出，邊界層的發(fā)展是制約單排管換熱特性的重要因素。 (3) 宋富強(qiáng)對(duì)不同風(fēng)速下的傳熱機(jī)理進(jìn)行場(chǎng)協(xié)同數(shù)值研究，得到了 不同位置速度矢量與溫度梯度的協(xié)同程度，發(fā)現(xiàn)低流速時(shí)，全場(chǎng)的溫度梯度與速度協(xié)同程度好，因而換熱速率隨流速近線型增加，但管子背風(fēng)側(cè)的換熱強(qiáng)度較差。 (5) 2020 年，何江海等 [15]對(duì)整體式平直翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了氣流速分別為 ～ ，并由計(jì)算結(jié)進(jìn)一步得出不同來流速度時(shí)的空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)與壓降的變化情況。 (8) 2020 年，馬挺、曾敏 [17]等數(shù)值模擬方法對(duì)平直翅片管燃?xì)鈧?cè)在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明：燃?xì)膺M(jìn)口溫度對(duì) Nu數(shù)影響較大，溫差對(duì)阻力系數(shù) f 影響較大，輻射對(duì) Nu數(shù)影響較 大，對(duì)阻力系數(shù) f 影響很小。針對(duì)上述課題的意義、翅片管式換熱器的換熱特點(diǎn)及國內(nèi)外在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方面發(fā)展?fàn)顩r的分析，本課題應(yīng)用 商業(yè)軟件對(duì)平直翅片管式換熱器在充分發(fā)展流動(dòng)情況下 的傳熱性能和流動(dòng)阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出平直翅片管式換熱器管排橫縱向間距、翅片間距、管排數(shù)和 Re 數(shù)等因素對(duì)換熱與阻力特性的影響，以此為工業(yè)上平直翅片表面換熱設(shè)備的選擇提供參考依據(jù)。 3. 根據(jù)有限容積法的二階迎風(fēng)格式（ Second Order Upwind）對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，對(duì)離散后的控制方程設(shè)置邊界條件和初始條件，并采用標(biāo)準(zhǔn)的 SIMPLE 算法和穩(wěn)定的層流模型來求解壓力速度耦合問題，對(duì)于翅片表面溫度分布，采用翅片導(dǎo)熱與流體對(duì)流換熱耦合求解。在翅片管內(nèi)，管束繞流、管后漩渦是流體擾動(dòng)的主要特征，在漩渦區(qū)內(nèi)由于流體的緩慢流動(dòng)及主流體無法有效透過漩渦與壁面進(jìn)行熱交換，使該壁面處的換熱降到最低，同時(shí)循環(huán)漩渦增加了流動(dòng)阻力，但這種流體擾動(dòng)有時(shí)能夠引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定，促使流動(dòng)在較低 Re 的下自身擾動(dòng)增強(qiáng)，從而使換熱性能大大提高，改善換熱性能，但同時(shí)流動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)增加。幾何結(jié)構(gòu)如圖 21 和圖 22 所示： 圖 21 叉排布置的翅片管換熱器 圖 22 順 排布置的翅片管換熱器 13 計(jì)算區(qū)域的選取 在實(shí)際模擬計(jì)算中受到計(jì)算機(jī)軟硬件的限制和從計(jì)算效率方面的考慮，不對(duì)完整的換熱器建立計(jì)算模型，而對(duì)幾何模型進(jìn)行簡化處理。（如圖 24） 圖 23 計(jì)算區(qū)域選取示意圖 圖 24 平直翅片管式換熱器單元結(jié)構(gòu) 14 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 318 K，翅片表面溫度分布由翅片導(dǎo)熱及其與空氣對(duì)流換熱耦合求解得到； ② 空氣進(jìn)口溫度為 308 K； ③ 由于空氣在換熱器內(nèi)流速不高及翅片間隙很小，假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)定的層流； ④ 由于流動(dòng)過程中空氣的溫度變化不大，取空氣為常物性。 s 10 5 比熱 Cp/ J K) 1 進(jìn)口流速 u / m對(duì)于本文研究問題可簡化為： 15 0????????? zyxu ?? (2) 動(dòng)量方程，也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。表示如下： ???????? ????????????????? 222222zTyTxTazTyTxTu ?? 其中： u、 v、 w 分別是速度矢量在 x、 y、 z 三個(gè)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。m2) ； ? 空氣導(dǎo)熱系數(shù)， W/(K (g邊界條件的具體確 17 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。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。 圖 25 邊界條件設(shè)定圖 18 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(gè)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(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，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。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。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(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積，將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。 用有限容積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性，對(duì)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。在有限元方法中，把計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元，在每個(gè)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(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)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。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。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。因而針對(duì)上述常用的數(shù)值計(jì)算方法，從實(shí)施的難易 20 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(duì)較小。其基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)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(chǎng)變量之間關(guān)