【正文】 已進(jìn)入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個(gè)周期中的流動(dòng)與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。4. 數(shù)值計(jì)算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動(dòng)阻力，模擬得出流場(chǎng)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(dòng)壓降△P的關(guān)系，并得出其對(duì)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(jì)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， W/ (m由于幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和周期性，本文計(jì)算區(qū)域的物理模型取整個(gè)寬度的一半、間距的一半來進(jìn)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(duì)輻射換熱和重力影響忽略不計(jì)。(gs1～ 基本控制方程本文計(jì)算為三維流動(dòng)，假設(shè)空氣流動(dòng)是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由于進(jìn)口延長區(qū)的存在，認(rèn)為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱已進(jìn)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(dòng)量對(duì)時(shí)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(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)： 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，Pam)。K) 1；Tin，Tout空氣進(jìn)出口平均溫度，KA翅片與管壁總換熱面積，m2；△tm對(duì)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(rèn)為絕熱條件(Heatflux為0)。目前，根據(jù)對(duì)控制方程離散方式的不同，對(duì)流換熱問題應(yīng)用研究中所涉及到的常用的數(shù)值計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀中的流動(dòng)與傳熱問題也是一種最容易實(shí)施的方法。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(jiǎn)便而有效的，而且很容易引入對(duì)流項(xiàng)的高階格式。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)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(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，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(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。除以上三種數(shù)值計(jì)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(diǎn)。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。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。CFD可以看做是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。流體的基本控制方程通常包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)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(shè)定等。首先，流動(dòng)問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計(jì)算域的幾何形狀和邊界條件復(fù)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(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)值實(shí)驗(yàn)；再者，它不受物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南拗疲″X省時(shí)，有較多的靈活性，能給出詳細(xì)和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實(shí)條件和實(shí)驗(yàn)中只能接近而無法達(dá)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(jī)理，為試驗(yàn)提供指導(dǎo)，節(jié)省試驗(yàn)所需的人力、物力和時(shí)間，并能夠?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的整理和得出規(guī)律起到很好的指導(dǎo)作用。其設(shè)計(jì)基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜流動(dòng)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(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問題。GAMBIT這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力可以使網(wǎng)格的生成變得非常自由，并對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。然后根據(jù)以下步驟進(jìn)行求解計(jì)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(dòng)FLUENT求解器；(3) 導(dǎo)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(yùn)行環(huán)境；(6) 決定計(jì)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(shè)置材料特性及工質(zhì)物性參數(shù)；(8) 設(shè)置邊界條件；(9) 調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)（松弛因子、收斂條件、求解算法）；(10) 設(shè)置特定監(jiān)測(cè)參量并初始化流場(chǎng)；(11) 開始求解計(jì)算；(12) 顯示求解結(jié)果；(13) 保存求解結(jié)果，以便用于后處理；(14) 如果有必要，自適應(yīng)修改網(wǎng)格或計(jì)算模型，然后重復(fù)上述過程計(jì)算。本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格生成。(3) 對(duì)于翅片區(qū)域，由于幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，采用MapPave/Tri生成混雜網(wǎng)格來適應(yīng)管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量。由于本文計(jì)算受個(gè)人PC機(jī)計(jì)算資源的限制，故采用默認(rèn)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(jì)算結(jié)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(duì)平直翅片管模型進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，給出流場(chǎng)、溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)的分布云圖，并計(jì)算努賽爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f。 速度場(chǎng)分布圖41 圖43 圖42 ，明顯看出由于流動(dòng)受到管子的阻礙，流動(dòng)截面縮小，使流速增加。 溫度場(chǎng)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(dòng)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(fēng)側(cè)流動(dòng)滯止及背風(fēng)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(dǎo)致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。 壓力場(chǎng)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(dòng)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(qiáng)化翅片管換熱性能，應(yīng)從充分利用翅片管的前緣效應(yīng)和改善管后滯止渦流的換熱特性入手。 翅片間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)研究對(duì)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(duì)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(dòng)情況有關(guān)。當(dāng)Re數(shù)較小時(shí)，邊界層流動(dòng)對(duì)換熱起主要作用，此時(shí)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(qiáng)。 管排數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)對(duì)不同管排數(shù)的翅片管束進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對(duì)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(duì)于2排管，最大流速在第二排管處，對(duì)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(shí)，由于開始邊界層較薄，換熱較強(qiáng)，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(dòng)向下發(fā)展，漩渦流繼續(xù)向下游運(yùn)動(dòng)到達(dá)第二排管時(shí)，再次因前緣效應(yīng)而換熱增強(qiáng)，并發(fā)生第二次繞流脫體，但由于尾跡區(qū)速度較小，導(dǎo)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(duì)壓降性能的影響圖429 不同橫向間距速度與壓降關(guān)系圖由上圖u△P關(guān)系看出，隨著管排橫向間距的增大，壓降略微降低，流動(dòng)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(shí)橫向間距對(duì)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(chǎng)分布更加均勻，流道內(nèi)速度、壓力變化平緩，流動(dòng)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(dòng)影響，從而利于流動(dòng)的自由發(fā)展，也就大大減少了流動(dòng)阻力。對(duì)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(duì)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(qiáng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，要強(qiáng)化翅片管換熱，充分利用管子前緣效應(yīng)和改善管后流動(dòng)分布與換熱性能是行之有效的方法。(5) 對(duì)于管排橫向間距，橫向間距越大，空氣漩渦流擾動(dòng)減弱，換熱能力減弱，阻力略微下降，但影響不大。參考文獻(xiàn)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(xué)，2005：24．2. 李祥華，宋光強(qiáng)．幾種新型換熱器的特點(diǎn)及使用狀況對(duì)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(shí)驗(yàn)研究[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)．1996，9（2）：4953．4. 孟繼安．基于場(chǎng)協(xié)同理論的縱向渦強(qiáng)化換熱技術(shù)及其應(yīng)用[D]．北京：清華大學(xué)航天航空學(xué)院，2003，15．5. 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