【正文】 研究的重要性將越來越突出。(4) 具有模擬理想條件的能力。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場擾動(dòng)、人身安全和測量精度的限制，有時(shí)可能很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果[10]。以下就國內(nèi)外對(duì)這幾種強(qiáng)化方式下的翅片類型的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展作概述介紹，如表1所示： 平直翅片管實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及成果(1) 早在1971年，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明翅片間距對(duì)換熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對(duì)的空氣壓降幾乎沒有影響[11]。(8) 2000年，Wangel對(duì)18種不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的空氣側(cè)換熱特性進(jìn)行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對(duì)換熱特性的影響。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，～，對(duì)流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線性增長。高溫?fù)Q熱器用平直翅片管的傳熱與阻力特性不同于常溫條件下的平直翅片管， 在熱力設(shè)計(jì)中平直翅片管常溫下的傳熱與阻力規(guī)律不能直接推廣到高溫環(huán)境。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。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。(g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。m)。(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)。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。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。除以上三種數(shù)值計(jì)算方法外，還有有限分析法等[8]。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。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。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。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。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有很實(shí)際的作用。本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格生成。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。 速度場分布圖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。 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。 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。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)。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。其中，橫向間距S2/、D為管道外徑10mm。可以直觀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(dòng)特性較好。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，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。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. 鹿世化．一種翅片管換熱器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)能動(dòng)學(xué)院，2007，25．6. 陶文銓．計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：1991．47．7. 陶文銓．計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M]．北京：科學(xué)出版社：2000．68．8. 陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)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(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]．制冷學(xué)報(bào)．2003，(3)：2530．10. 陳楠，申江等．管翅式表冷器數(shù)值模擬與性能分析[J]．低溫與超導(dǎo)．2003，31 (2)：60 64．11. 徐百平，江楠等．平直翅片管翅式換熱器減阻強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬[J]．石油煉制與化工．2006，9(37)：4549．12. 康海軍，李嫵，李慧珍等．平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．1994，28(1)：9198．13. 柳飛，何國庚．多排數(shù)翅片管空冷器風(fēng)阻特性的數(shù)值模擬[J]．制冷與空調(diào)．2004，4(4)：3033．14. 宋富強(qiáng)，屈治國，何雅玲等．低速下空氣橫掠翅片管換熱規(guī)律的數(shù)值模擬[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．2002，36(9)：899902．15. 何江海，陳蘊(yùn)光，徐正本等．風(fēng)冷式平直翅片管換熱器的數(shù)值分析[J]．制冷與空調(diào)．2003，3 (4)：2628．16. 傅明星．雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)性能的三維穩(wěn)態(tài)模擬[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)．2008，3(28)：537541．17. 馬挺，曾敏等．高溫下平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)．2010，31(9)：15701574．18. 屈治國，何雅玲，陶文銓．平直開縫翅片傳熱特性的三維數(shù)值模擬及場協(xié)同原理分析[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)．2003，5(24)：826829．19. He Yaling，Zhang W，Tao Wenquan．Numerical simulation of heat t ransfer of air across finned tube banks．In：Proceedingsof t he 3rd International Symposium of Heat Transfer and Energy Conservation，Guangzhou：SCU T Press，2003．697702．20. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：24．21. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：1317．22. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：2426．23. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：164166．24. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：185188．致 謝作者在設(shè)計(jì)（論文）期間都是在陰繼翔教授全面、具體指導(dǎo)下完成進(jìn)行的。許多不同表面結(jié)構(gòu)的傳熱已經(jīng)通過一些寬泛的條件得到了評(píng)估。對(duì)熱量傳遞及流動(dòng)機(jī)理的理解提供了允許高效換熱器性能最大化的必要的知識(shí)。他們通過改變Re數(shù)和平板厚度來進(jìn)行試驗(yàn)。目前已有許多的實(shí)驗(yàn)來研究平行平板翅片的局部換熱。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的表面在設(shè)計(jì)上可以與一個(gè)沒有經(jīng)過強(qiáng)化的表面進(jìn)行比較。Sahin等人（2008年）實(shí)驗(yàn)性地研究了傳熱過程、摩擦系數(shù)和關(guān)于傳熱的各種設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，以及摩擦系數(shù)對(duì)在矩形通道內(nèi)裝配有圓形截面鰭角穿孔翅片換熱器的影響，同時(shí)也包括了增強(qiáng)換熱效率的相關(guān)程度。Sahin和Demir（2008年）討論了翅片的傳熱系數(shù)以及如何通過利用狹縫和空隙來改善它們的換熱。這些因素將會(huì)為換熱器提供一個(gè)能夠強(qiáng)化傳熱；一個(gè)更加適應(yīng)流動(dòng)阻力；一個(gè)能夠提供更加均勻流量分布的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：強(qiáng)化傳熱；擴(kuò)展面；流量分布1. 引言加快受熱面的散熱已經(jīng)成為換熱設(shè)備設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要任務(wù)。許多類的工業(yè)過程都涉及到熱能的轉(zhuǎn)移。(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。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。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。 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，說明在流速較小（Re數(shù)范圍600～1700）時(shí)橫向間距對(duì)管排阻力特性影響不大。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。 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。這種變化特性與翅片間的流動(dòng)情況有關(guān)。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。 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(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。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、溫度場及速度場的分布云圖，并計(jì)算努賽爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f。(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。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)測參量并初始化流場；(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。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。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?，省錢省時(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。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。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。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。(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。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便而有效的，而且很容易引入對(duì)流項(xiàng)的高階格式。(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)。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。 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