【正文】 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)學模型。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、翅片間距等幾何結構參數(shù)與努賽爾數(shù)Nu和流動壓降△P的關系，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。 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換熱器常用的尺寸基礎上確定的，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材料， W/ (m由于幾何結構的對稱性和周期性，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。（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。(gs1～ 基本控制方程本文計算為三維流動，假設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。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。 相關參數(shù)的確定(1) 當量直徑： 本文當量直徑取為翅片管外徑De= Do= 10mm(2) 雷諾數(shù)： 其中：空氣密度，kg/m3； De當量直徑，m；Umax流道最小截面空氣流速，m/s；空氣粘度，Pam)。K) 1；Tin，Tout空氣進出口平均溫度，KA翅片與管壁總換熱面積，m2；△tm對數(shù)平均溫差，K；Tb翅片壁面平均溫度，K。(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)。(5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認為絕熱條件(Heatflux為0)。目前，根據(jù)對控制方程離散方式的不同，對流換熱問題應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，F(xiàn)DM)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。在規(guī)則區(qū)域的結構化網(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。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。(3) 有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)有限元方法的基礎是變分原理和加權余量法，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余量法，將微分方程離散求解。除以上三種數(shù)值計算方法外，還有有限分析法等[8]。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有限差分法只考慮網(wǎng)格點上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點之間如何變化。故有限容積法是CFD進行數(shù)值計算采用最多一種方法，其中最普及的Fluent軟件就是其中之一。CFD可以看做是在流動基本方程（質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數(shù)值模擬。流體的基本控制方程通常包括質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。這部分工作包括網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入，控制參數(shù)的設定等。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計算域的幾何形狀和邊界條件復雜，很難求得解析解，而用CFD方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解法；其次，可利用計算機進行各種數(shù)值實驗；再者，它不受物理模型和實驗模型的限制，省錢省時，有較多的靈活性，能給出詳細和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理，為試驗提供指導，節(jié)省試驗所需的人力、物力和時間，并能夠對試驗結果的整理和得出規(guī)律起到很好的指導作用。其設計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。GAMBIT這種網(wǎng)格的自適應能力可以使網(wǎng)格的生成變得非常自由，并對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。然后根據(jù)以下步驟進行求解計算：(1) 創(chuàng)建幾何模型及劃分區(qū)域網(wǎng)格（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；(2) 啟動FLUENT求解器；(3) 導入網(wǎng)格模型；(4) 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；(5) 選擇求解器及運行環(huán)境；(6) 決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相流等；(7) 設置材料特性及工質物性參數(shù)；(8) 設置邊界條件；(9) 調整用于控制求解的有關參數(shù)（松弛因子、收斂條件、求解算法）；(10) 設置特定監(jiān)測參量并初始化流場；(11) 開始求解計算；(12) 顯示求解結果；(13) 保存求解結果，以便用于后處理；(14) 如果有必要，自適應修改網(wǎng)格或計算模型，然后重復上述過程計算。本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進行網(wǎng)格生成。(3) 對于翅片區(qū)域，由于幾何結構的不規(guī)則性，采用MapPave/Tri生成混雜網(wǎng)格來適應管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質量。由于本文計算受個人PC機計算資源的限制，故采用默認的非耦合隱式算法求解，精度為單精度。第四章 平直翅片管數(shù)值計算結果及數(shù)據(jù)分析本章的主要內(nèi)容是顯示借助FLUENT軟件對平直翅片管模型進行數(shù)值模擬的計算結果，給出流場、溫度場及速度場的分布云圖，并計算努賽爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f。 速度場分布圖41 圖43 圖42 ，明顯看出由于流動受到管子的阻礙，流動截面縮小，使流速增加。 溫度場分布圖44 翅片表面溫度分布 圖46 圖45 圖446 為平直翅片管通道內(nèi)流動空氣的溫度分布，從翅片間距中剖面的溫度分布可以看出，由于管子迎風側流動滯止及背風面脫體漩渦的存在，使空氣流速緩慢，而在管子后部因邊界層脫離而形成的尾流區(qū)，存在穩(wěn)定的漩渦，部分空氣無法被主流帶走，被加熱到與翅片溫度基本相同，導致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。 壓力場分布圖47 由圖47可以看出，流體壓力沿流向逐漸降低，并且在管子周圍處，由于邊界層影響，壓力梯度最大，下降最快。而管后渦流區(qū)流動滯止，使得管子后面的翅片面積換熱不能得到有效的利用，因而要強化翅片管換熱性能，應從充分利用翅片管的前緣效應和改善管后滯止渦流的換熱特性入手。 翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)研究對象為單排平直翅片管，通過改變翅片間距來分析不同雷諾數(shù)下翅片間距對翅片管換熱與阻力特性的影響。這種變化特性與翅片間的流動情況有關。當Re數(shù)較小時，邊界層流動對換熱起主要作用，此時翅片間距減小使上下翅片壁面的邊界層相互干擾，換熱增強。 管排數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)對不同管排數(shù)的翅片管束進行數(shù)值模擬，分析其對換熱與阻力特性的影響。由圖416和圖419的速度分布看出，最大速度梯度都分布在每排管子的前緣，且對于2排管，最大流速在第二排管處，對于4排管，最大流速在第四排管處。分析原因，在雷諾數(shù)較小的范圍內(nèi)，流體流經(jīng)第一排管子時，由于開始邊界層較薄，換熱較強，但隨邊界層的發(fā)展很快下降，隨后發(fā)生繞流脫體使換熱再次增加，而管后的尾跡區(qū)換熱很差，隨著流動向下發(fā)展，漩渦流繼續(xù)向下游運動到達第二排管時，再次因前緣效應而換熱增強，并發(fā)生第二次繞流脫體，但由于尾跡區(qū)速度較小，導致第二排管的換熱要弱于前排管束，因而總體換熱性能，單排管要優(yōu)于雙排。其中，橫向間距S2/、D為管道外徑10mm。 橫向間距對壓降性能的影響圖429 不同橫向間距速度與壓降關系圖由上圖u△P關系看出，隨著管排橫向間距的增大，壓降略微降低，流動阻力減弱，且隨著流速的增大，不同間距的壓降相差增加，但差別不大，說明在流速較?。≧e數(shù)范圍600～1700）時橫向間距對管排阻力特性影響不大?？梢灾庇^看出隨翅片管縱向間距增大，流場分布更加均勻，流道內(nèi)速度、壓力變化平緩，流動特性較好。這主要是由于增大管排縱向間距后，流道寬度增加，減小了管列之間的脈動影響，從而利于流動的自由發(fā)展，也就大大減少了流動阻力。對比流線圖看出，順排管束前后兩排管的尾流區(qū)連接在一起，形成了管徑寬度的尾流通道，使管后滯止渦流的死區(qū)面積比叉排管要大，這對整體翅片管的換熱性能有不良影響。因此研究提高翅片管式換熱器換熱效率的方法，使換熱系統(tǒng)裝置尺寸減小、能耗降低、換熱增強，具有重要的現(xiàn)實意義。因此，要強化翅片管換熱，充分利用管子前緣效應和改善管后流動分布與換熱性能是行之有效的方法。(5) 對于管排橫向間距，橫向間距越大，空氣漩渦流擾動減弱，換熱能力減弱，阻力略微下降，但影響不大。參考文獻1. 許偉，閔敬春．幾種典型翅片傳熱及阻力特性的數(shù)值研究與分析[D]．北京：清華大學，2005：24．2. 李祥華，宋光強．幾種新型換熱器的特點及使用狀況對比[J]．化肥工業(yè)．2001，9(1)：7880．3. 劉衛(wèi)華．百葉窗型和波形管片式換熱器性能實驗研究[J]．石油化工高等學校學報．1996，9（2）：4953．4. 孟繼安．基于場協(xié)同理論的縱向渦強化換熱技術及其應用[D]．北京：清華大學航天航空學院，2003，15．5. 鹿世化．一種翅片管換熱器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與實驗研究[D]．南京：南京航空航天大學能動學院，2007，25．6. 陶文銓．計算流體力學與傳熱學[M]．西安：西安交通大學出版社：1991．47．7. 陶文銓．計算傳熱學的近代進展[M]．北京：科學出版社：2000．68．8. 陶文銓．數(shù)值傳熱學[M]．西安：西安交通大學出版社：2001．1518．9. 劉建，魏文建，丁國良．翅片管式換熱器換熱與壓降特性的實驗研究進展[J]．制冷學報．2003，(3)：2530．10. 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