【正文】 本研究的總體目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)強(qiáng)化傳熱面，來(lái)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。Sparrow和Carranco Ortiz（1982年）實(shí)驗(yàn)性地確定了關(guān)于逆流壁面的換熱系數(shù)以及它們與長(zhǎng)徑比和Re數(shù)之間的關(guān)系。韋伯（1981年）針對(duì)強(qiáng)化面提出了一個(gè)關(guān)于熱量傳遞和傳熱面積的性能評(píng)測(cè)方法。翅片管式換熱器在工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛使用。強(qiáng)化傳熱面可以通過(guò)一系列因素的組合來(lái)設(shè)計(jì)，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。而流道寬度隨間距增大而增加，使流體更易自由流動(dòng)，流動(dòng)阻力下降。(2) 對(duì)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(qiáng)，同時(shí)流動(dòng)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。其中，模型選取為：，橫線間距為16mm，管徑D取10mm。其中縱向間距S1/、D為管徑10mm。 管排橫向間距對(duì)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(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，對(duì)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(diào)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同性，提高換熱器流動(dòng)與化熱綜合性能。 多排管束的流場(chǎng)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(nèi)流線圖圖416 2排管內(nèi)速度分布圖 圖419 4排管流道內(nèi)速度分布圖圖418 4排管流道內(nèi)壓力分布圖 上圖中分別給出2排、4排叉排管束模擬流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。在Re較大時(shí)，漩渦流對(duì)換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強(qiáng)化換熱作用越大，而翅片間距的大小主要反映在翅片對(duì)漩渦流的抑制作用的程度。由上圖Ref關(guān)系看出，隨Re增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。同時(shí)出口溫度隨流速的增大而減小。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對(duì)單排平直翅片管，通過(guò)改變進(jìn)口來(lái)流速度來(lái)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。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。網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)仿真的精度及計(jì)算效率有重要的影響。對(duì)于二維問(wèn)題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對(duì)于三維問(wèn)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。該軟件專(zhuān)門(mén)用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)。這里的計(jì)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(biāo)的建立，邊界條件的處理等。CFD這一始于本世紀(jì)三十年代到如今的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。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。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。(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。(7) 對(duì)于Y方向上的空氣流道和進(jìn)出口延長(zhǎng)區(qū)均采用對(duì)稱絕熱邊界條件。 物理模型的邊界條件及初始條件為保證無(wú)回流，在空氣流動(dòng)的方向上，入口、出口做適當(dāng)延長(zhǎng)。(3) 努塞爾數(shù)： 其中： h空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/(K該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。m3粘度μ/ Pa基本尺寸如下：管子直徑D= 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= 。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。(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(duì)雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)特性的影響，研究成果豐富。同時(shí)借助可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了翅片間距對(duì)傳熱、流阻的影響。(6) 1996年，何國(guó)庚[13]等分別對(duì)16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，指出風(fēng)速對(duì)風(fēng)側(cè)阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時(shí)，風(fēng)速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)速的影響也趨向穩(wěn)定。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來(lái)看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢(shì)，；二是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度，可通過(guò)不斷改變氣流來(lái)流方向，來(lái)達(dá)到強(qiáng)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(lèi)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(kāi)，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(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。它能夠提供在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低?？梢?jiàn)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(qiáng)化空氣側(cè)的換熱成了管翅式換熱器強(qiáng)化傳熱的重要問(wèn)題。所以，此時(shí)采用增強(qiáng)流體擾動(dòng)，提高換熱系數(shù)的方法對(duì)空氣側(cè)換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應(yīng)該是擴(kuò)大換熱面積。具體說(shuō)來(lái)，就是用各種異型管取代原來(lái)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(nèi)翅管及管內(nèi)插入強(qiáng)化物質(zhì)；三是換熱設(shè)備的強(qiáng)化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說(shuō)按照能量的品味逐級(jí)利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。采用先進(jìn)技術(shù)，節(jié)能降耗，倡導(dǎo)低碳生活和綠色的生存模式，提高能源有效利用率勢(shì)在必行，正是出于這種目的，許多學(xué)者對(duì)強(qiáng)化換熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提高換熱器的換熱效率來(lái)節(jié)約能源。關(guān)鍵字：數(shù)值模擬；平直翅片；層流流動(dòng)；流動(dòng)換熱56Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plainfinned TubeABSTRACTAs plainfinned tube is an important ponent for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researchers．Although its pact structure，heat transfer efficiency are lower than plate or platefin heat exchangers，plainfinned tube heat exchangers have also being widely used in the energy，chemical，oil and other industries for its many advantages which contained withstand high temperature and pressure，adptable widely，reliable，simple manufacturing，low costs and wide selection．Thus，studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significance．Aim at the flow characteristics of plainfinned tube，this paper will study the followings：Simplely overview the study progress and present stuation of plainfinned tube，and on the 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。計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖第3頁(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容：通過(guò)對(duì)富氧燃燒技術(shù)的認(rèn)識(shí)，了解該技術(shù)對(duì)節(jié)能、減排、降耗的適用性；并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面研究該技術(shù)對(duì)電站鍋爐的影響，能夠提出解決一些問(wèn)題的方案或者建議。 太　原　理　工　大　學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)第1頁(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求：(1) 了解強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展、平直翅片管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理及此換熱設(shè)備在實(shí)際中的應(yīng)用；(2) 了解翅片管換熱與阻力性能研究進(jìn)程及國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀；(3) 了解用數(shù)值方法研究翅片管換熱問(wèn)題的優(yōu)越性并掌握數(shù)值解法的基本原理；(4) 初步掌握GAMBIT軟件構(gòu)建三維模型、劃分網(wǎng)格、使用Fluent軟件數(shù)值求解并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理分析的基本方法；(5) 初步培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴刭|(zhì)和獨(dú)立工作的能力。第一部分 緒論第二部分 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析該部分主要分析了平直翅片管通道的流動(dòng)特點(diǎn)，描述了本文所研究對(duì)象的構(gòu)建及計(jì)算區(qū)域的選取，并討論了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法及模型計(jì)算定解條件的確定。s flow and heat transfer performance，so as to provide a theoretical basis for the disgn，improvement　and optimization of plainfinned tude heat exchangers．Key words: numerical simulation；plainfin；laminar flow；heat transfer目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 1 課題背景及研究意義 1 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 4 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 7 本文的主要研究?jī)?nèi)容 11第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 12 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)程的描述 12 平直翅片管換熱器物理模型的建立 12 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè) 14第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡(jiǎn)介 18 常用數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介 18 CFD概述 20 FLUENT軟件概述及GAMBIT簡(jiǎn)介 22 平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬 24第四章 平直翅片管數(shù)值計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 27 迭代殘差圖 27 雷諾數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 27 翅片間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 32 管排數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 33 管排橫向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 35 管排縱向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 38 管排方式對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 40結(jié) 論 43參考文獻(xiàn) 44外文原文 47中文翻譯 53第一章 緒論 課題背景及研究意義 強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述強(qiáng)化傳熱是上世紀(jì)六十年代開(kāi)始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技術(shù)。換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強(qiáng)化換熱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。無(wú)論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來(lái)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn)，但這些方法有許多缺點(diǎn)，例如換熱管的加工制作工藝過(guò)于復(fù)雜，增加金屬消耗量從而增加換熱器重量，又易于造成管子堵塞，換熱能力增強(qiáng)的同時(shí)，阻力也相對(duì)增大許多，從而造成運(yùn)行成本的提高等。采用附加表面來(lái)增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布就是強(qiáng)化空氣側(cè)換熱最常用的手段之一，翅片管換熱器（如圖11）就是基于上述原理制造出來(lái)的。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對(duì)它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對(duì)改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計(jì)型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導(dǎo)意義。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)。與實(shí)驗(yàn)的情況不同，在計(jì)算中幾乎沒(méi)有不能達(dá)到的位置。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是研究流動(dòng)與傳熱問(wèn)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(kù)，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(lái)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因而其重要性不容低估。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。(7) 1996年以來(lái)，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。(3