【正文】 e basis of parative analysis the goods and bads of three research methods：experimental，analysis and numerical method．we determine use Gambitsoftware to bilud physical model for different size tube structures，and use to study the flow in the finned tube channel，then calculate the relationship between Re and Nu number，f(resistance cofficient)，and analyze Re，finpitchnumber of tube rows，row spacing of fin tube(horizontal spacing and vertical spacing)，the impact on the plainfinned tube39。而換熱器作為一種傳熱設備成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設備[1]。采用先進技術，節(jié)能降耗，倡導低碳生活和綠色的生存模式，提高能源有效利用率勢在必行，正是出于這種目的，許多學者對強化換熱技術進行了大量的研究，提高換熱器的換熱效率來節(jié)約能源。方法(5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動阻力這兩者之間做一個較好的權衡，起到減阻強化傳熱的效果[3]。具體說來，就是用各種異型管取代原來的光管，現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋（螺紋管）、橫槽紋管、波紋管、內翅管及管內插入強化物質；三是換熱設備的強化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說按照能量的品味逐級利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。對流換熱強化技術在氣體側的應用要綜合考慮許多因素：首先要確定流體的流態(tài)，即層流或湍流。所以，此時采用增強流體擾動，提高換熱系數(shù)的方法對空氣側換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應該是擴大換熱面積。雖然翅片類型已由平直翅片向波紋片、百葉窗、沖縫片和穿孔翅片等多種高效形式演變，平直翅片的強化傳熱效果不如錯齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結構和制造上的簡單方便、 運用上的耐久性及其較好的適用性，到目前為止，平翅片換熱器仍是最為常用的一種翅片管式換熱器之一。可見管外翅片的換熱仍然是制約換熱器效能的主要因素，因此，強化空氣側的換熱成了管翅式換熱器強化傳熱的重要問題。數(shù)值傳熱學求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點，node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關系的代數(shù)方程（稱為離散方程，discretization equation），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值[8]。運用計算機的數(shù)值方法進行預測的最重要優(yōu)點是它的成本低。用計算機進行計算和研究能以及其驚人的速度進行。它能夠提供在整個計算區(qū)域內所有的有關變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。數(shù)值計算方法的這些優(yōu)點使人們熱衷于計算機的分析，但是它也有一些局限性。但是，它往往要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。它可以通過比較各種型號的換熱器的換熱和流動阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗設計參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動性能，對換熱器的開發(fā)和設計有指導作用。從目前家用空調中所采用的換熱管尺寸來看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢，；二是增強空氣側的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達到強化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型； 三是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應，達到強化換熱的目的。(3) 1986年，Gray和Webb又提出了管排數(shù)大于4排的實驗關聯(lián)式，其關聯(lián)式能較好地預測大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性和壓降特性[11]。(6) 1996年，何國庚[13]等分別對16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進行了實驗，指出風速對風側阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時，風速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風速的影響也趨向穩(wěn)定。(9) Sparrowe也對單排及雙排平直管換熱器進行了研究，指出邊界層的發(fā)展是單排管換熱特性的最重要因素，渦流的影響只有在高雷諾數(shù)的情況下才獲得[11]。同時借助可視化實驗技術，揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。(4) 2002年，西安交通大學宋富強，屈治國[14]等對翅片管散熱器進行了低速下流動和換熱的數(shù)值模擬，得到了流速與換熱系數(shù)的關系，以及不同流速下翅片管流動與換熱的溫度場、速度場和速度與溫度梯度的夾角場，并首次利用場協(xié)同原理進行了分析9結果表明：當流速很低時，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。(7) 2008年，傅明星[16]利用三維穩(wěn)態(tài)模擬研究了叉排和順排布置形式、幾何尺寸和雷諾數(shù)Red對雙排平直翅片管換熱器換熱和流動特性的影響，研究成果豐富。作為其中的關鍵部件，換熱器的性能與效率對于整個系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。采用的流體工質為常物性的空氣。第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析 平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結構的存在及管外流道的周期性變化特性使得流體在沿流向呈周期性變截面通道中流動時，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進入充分發(fā)展段，流動與換熱具有周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動與換熱?；境叽缛缦拢汗茏又睆紻= 10mm，管排橫向間距S2= 22mm，管排縱向間距S1= 16mm，翅片厚度δ= ，翅片間距S= 。（如圖23）圖23 計算區(qū)域選取示意圖另外，為了保證流體進口處于充分發(fā)展流動狀態(tài)，同時避免出流邊界回流對計算結果的影響，將計算區(qū)域進口延長1～2倍，出口延長5～6倍，保證出口邊界沒有回流。m3粘度μ/ Pa(m該定律可表述為：單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。(3) 努塞爾數(shù)： 其中： h空氣對流換熱系數(shù)，W/(K(5) 換熱系數(shù)： 其中：Φ翅片與空氣總換熱量，w/m3；qm質量流量，Kg/s；Cp空氣比熱容，J 物理模型的邊界條件及初始條件為保證無回流，在空氣流動的方向上，入口、出口做適當延長。在計算中，翅片和流體分別采用各自的導熱系數(shù)。(7) 對于Y方向上的空氣流道和進出口延長區(qū)均采用對稱絕熱邊界條件。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。(2) 有限容積法(Finite Volume Method，F(xiàn)VM) 有限容積法又稱為控制體積法。由于擴散項多是采用相當于二階精度的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對流項上。有限元方法最早應用于結構力學，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學的數(shù)值模擬。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數(shù)。CFD這一始于本世紀三十年代到如今的計算機模擬技術，集流體力學、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學于一身，已經(jīng)在各個工業(yè)領域得到廣泛的應用。 計算流體動力學的工作步驟采用CFD方法對流體流動進行數(shù)值模擬過程（如圖14），通常包括以下步驟：(1) 建立反映工程問題或物理問題本質的數(shù)學模型。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。計算結果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質量和結果有重要參考意義。該軟件專門用來進行流場分析、流場計算、流場預測。鑒于其多種優(yōu)點，目前利用GAMBIT和FLUENT進行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛，其中本文就是基于Fluent軟件來進行研究的。對于二維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對于三維問題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。 FLUENT程序結構FLUENT程序軟件包由以下幾個部分組成:(1) GAMBIT用于建立幾何結構和網(wǎng)格的生成；(2) FLUENT用于進行流動模擬的求解器；(3) prePoF由于模擬PDF燃燒過程；(4) Tgrid用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格；(5) Filters(Translators) 轉換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算。網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質量的好壞對仿真的精度及計算效率有重要的影響。鑒于平直翅片管通道流動的復雜性，本文在劃分時大都為六面體網(wǎng)格，并采用分塊劃分和邊界層加密等方法進行局部加密，具體劃分如下（圖32，33，34）：(1) 對于進出口延長區(qū)，由于是規(guī)則的矩形通道，采用Map方法劃分規(guī)則的結構性六面體網(wǎng)格。圖32 網(wǎng)格劃分示意圖圖33 翅片表面部分網(wǎng)格劃分圖34 近翅片區(qū)域采用邊界層加密 求解器的選擇FLUENT在求解器算法上有四種選擇：即非耦合顯式、耦合顯式、非耦合隱式和耦合隱式。對于收斂準則設定，方程組殘差收斂控制條件為：動量方程為110連續(xù)性方程為110能量方程為1107,并檢驗流體進出換熱單元的總體質量平衡達1010量級。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對單排平直翅片管，通過改變進口來流速度來變化雷諾數(shù)的大小，分析不同雷諾數(shù)下平直翅片管的換熱與阻力特性。在管子的前額處，流體受管子阻礙而滯止，速度降為零。同時出口溫度隨流速的增大而減小。 雷諾數(shù)Re與Nu關系圖48 Re數(shù)與Nu 數(shù)關系圖由上圖48示ReNu關系看出，隨流速的增大，Nu與Re呈線性關系增加，換熱增強。由上圖Ref關系看出，隨Re增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。 翅片間距對換熱性能的影響圖411 不同翅片間距下u與h關系圖上圖顯示出不同翅片間距下，總換熱系數(shù)h隨來流速度u的變化關系。在Re較大時，漩渦流對換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強化換熱作用越大，而翅片間距的大小主要反映在翅片對漩渦流的抑制作用的程度。這主要由于間距越小，流動通道變小，流體受壁面粘性力越大，因而阻力增加。 多排管束的流場分布圖415 2排管流道壓力分布圖圖414 2排管流道溫度分布圖 圖417 2排管內流線圖圖416 2排管內速度分布圖 圖419 4排管流道內速度分布圖圖418 4排管流道內壓力分布圖 上圖中分別給出2排、4排叉排管束模擬流動的溫度場、速度場和壓力場。同時，4排的出口壓力明顯低于2排管。 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響管排間距直接影響了流體通道內溫度場和速度場分布，對換熱與阻力特性有重要影響，合理布置管排能更好地協(xié)調速度場與溫度場的協(xié)同性，提高換熱器流動與化熱綜合性能。明顯看出，隨著間距增大，兩排管中間區(qū)域流道變寬，速度、壓力變化較為平緩，分布更加均勻，利于流體流動。其中縱向間距S1/、D為管徑10mm。但整體來看，換熱系數(shù)下降幅度很小，縱向間距對翅片管換熱性能影響不大。其中，模型選取為：，橫線間距為16mm，管徑D取10mm。 順排、叉排方式壓降特性的差異分析圖447 不同管排方式速度與壓降圖由上圖速度壓降關系圖可知，相同幾何參數(shù)及來流速度情況下，叉排管壓降明顯大于順排，表明叉排阻力要大，這與叉排管內流體的擾動強于順排，順排管內的速度、壓力分布更均勻的實驗情況是相符的。(2) 對于平直翅片管換熱器，隨著雷諾數(shù)Re增大，Nu數(shù)增加，換熱能力增強，同時流動阻力也在增加，阻力系數(shù)f隨著雷諾數(shù)Re的增大，逐漸平緩。同時，翅片間距減小，流動阻力增大，阻力系數(shù)減小，并隨雷諾數(shù)的增加，趨勢變緩。而流道寬度隨間距增大而增加，使流體更易自由流動，流動阻力下降。在此，謹向陰繼翔老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！感謝電氣與動力工程學院全體老師對本人的教導、幫助和關心！感謝熱能0703班的全體同學對本人的幫助！最后向所有給予我?guī)椭耐瑢W、老師致以誠摯的謝意和深深的祝福！英文資料中文翻譯強化傳熱面的發(fā)展摘要如今，在高性能熱力系統(tǒng)的發(fā)展中，強化傳熱成為熱門的領域。強化傳熱面可以通過一系列因素的組合來設計，這些因素包括：增加流體的湍流程度、流體產(chǎn)生二次流型、減薄邊界層厚度和增大傳熱面的面積。對于所有的情況，所有強化傳熱面的測評都是傳熱隨Re的增加而增加。翅片管式換熱器在工業(yè)應用中得到廣泛使用。因而，改善增強空氣側的傳熱成為高效率換熱系統(tǒng)日益增長的需求的迫切要求。韋伯（1981年）針對強化面提出了一個關于熱量傳遞和傳熱面積的性能評測方法。Yakut等人（2006年）通過實驗分析了傳熱阻力與壓降特性以及它們與翅片幾何結構、翅片間距和流體速度之間的關系。Sparrow和Carranco Ortiz（1982年）實驗性地確定了關于逆流壁面的換熱系數(shù)以及它們與長徑比和Re數(shù)之間的關系。雖然一個附著在管壁上的簡單堅實的平直翅片能強化傳熱，但一個附著在同樣管壁上的多孔隙的平翅片會造成更小的流動阻力同時也產(chǎn)生更好的性能。本研究的總體目標是設計一個強化傳熱面，來盡量減少材料的數(shù)量（重量），但必須滿足所要求的散熱條件。2. 實驗方法 步驟樣