【正文】 冷與空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。多排管束縱、橫向間距對(duì)傳熱的影響數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳熱隨著兩種間距的增大而減小，進(jìn)一步場(chǎng)協(xié)同原理總體平均分析表明，橫向管距越小，縱向管距越大，熱、流場(chǎng)總體協(xié)同性越好。指出在不同的雷諾數(shù)下，空氣側(cè)的換熱特性與翅片間距、 管排數(shù)和換熱管管徑有十分重要的關(guān)系 [11]。 (2) 1978 年， McQuiston 發(fā)表了第一個(gè)基于五種結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距 、管外徑為 、管排間距為 22mm、管列間距為 、管排數(shù)為 4）的平翅片換熱及壓降通用關(guān)聯(lián)式 [11]。 而數(shù)值求解 (CFD)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)。人們有時(shí)為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實(shí)現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動(dòng)充分發(fā)展等等，在 數(shù)值計(jì)算中很容易實(shí)現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實(shí)驗(yàn)中卻很難近似到這種理想化的條件。 (2) 研究周期短。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的基本思想是：把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)（如速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等），用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)， 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(diǎn)上變量值之間關(guān)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]。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(qiáng)化傳熱效果不如錯(cuò)齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡(jiǎn)單方便、 運(yùn)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。對(duì)流換熱強(qiáng)化技術(shù)在氣體側(cè)的應(yīng)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。方法 (5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力這兩者之間做一個(gè)較好的權(quán)衡，起到減阻強(qiáng)化傳熱的效果 [3]。而換熱器作為一種傳熱設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備 [1]。 第五部分 結(jié)論 學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）： 畢業(yè)設(shè)計(jì)一份 第 4 頁(yè) 5 主要參考文獻(xiàn)（資料）： 1. 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)． 2020， 9(1)： 7880． 2. 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． 3. 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， 2020， 15． 4. 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． 5. 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． 6. 柳飛，何國(guó)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)． 2020， 4(4)： 3033． 7. 宋富強(qiáng)，屈治國(guó)，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)． 2020， 36(9)： 899902． 8. 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． 2020，9(37)： 4549． 9. 屈治國(guó)，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(chǎng)協(xié)同原理分析 [J]．工程熱物理學(xué)報(bào)． 2020， 5(24)： 826829． 10. 劉建，魏文建，丁國(guó)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)． 2020，(3)： 2530． 專業(yè)班級(jí) 熱能 0703 班 學(xué)生 張 謙 要求設(shè)計(jì)（論文）工作起止日期 2020 年 3 月 14 日至 2020 年 6 月 18 日 指導(dǎo)教師簽 字 日期 2020 年 3 月 10 日 教研室主任審查簽 字 日期 2020 年 3 月 10 日 系 主 任 批 準(zhǔn) 簽 字 日期 2020 年 3 月 10 日 I 平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究 摘 要 平直翅片管式換熱器作為熱力系統(tǒng)和制冷空調(diào)裝備中的一個(gè)重要部件，對(duì)其換熱性能的研究一直是科研人員熱衷的課題。所以，本文僅取一個(gè)單元周期區(qū)域研究即可（見圖中虛線所圍部分）。假設(shè)流動(dòng)介質(zhì)為不可壓縮空氣，物性參數(shù)為常數(shù)，忽略重力影響，流動(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流且已進(jìn)入周期性充 分發(fā)展段。盡管它在結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗量等方面遜于板式或板翅式換熱器，但平直翅片管換熱器以其能承受高溫高壓、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠、制造簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，仍在能源、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占 30%～ 40%；在制冷機(jī)組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機(jī)組總重量的 30%～ 40%，動(dòng)力消耗占總值的 20%～ 30%；在熱電廠中，如果將鍋爐也視作換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的 70%左右 [2]。不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)可滿足不同的要求，如減少初次傳熱面積以減小換熱器的體積和重量，或提高換熱器的換熱能力，或增大換熱溫差，或減少換熱器的動(dòng)力消耗。在層流對(duì)流換熱情況下，流體速度和溫度呈拋物線分布，從流體核心到壁面都存在速度和溫度的梯度，因此對(duì)層流換熱所采取的強(qiáng)化措施是使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的 3 徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強(qiáng)化層流換熱。平直翅片管（圖 14）換熱器具有良好的傳熱性能和低阻力性能，其在制冷、空調(diào)、化工、電子微器件散熱（如 CPU 熱管式散熱器 圖 11 翅片管式換熱器實(shí)物模型 4 圖 12 和 13）等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用 [7]。上述基本思想可以用圖 15 來表示。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。 數(shù)值計(jì)算方法的這些優(yōu)點(diǎn)使人們熱衷于計(jì)算機(jī)的分析，但是它也有一些局限性。它可以通過比較各種型號(hào)的換熱器的換 7 熱和流動(dòng)阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動(dòng)性能，對(duì)換熱器的開發(fā)和設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。 (3) 1986 年， Gray 和 Webb 又提出了管排數(shù)大于 4 排的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其關(guān)聯(lián)式能較好地預(yù)測(cè)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]。 (9) Sparrowe 也對(duì)單排及雙排平直管換熱器進(jìn)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]。 (4) 2020 年，西安交通大學(xué)宋富強(qiáng)，屈治國(guó) [14]等對(duì)翅片管散熱器進(jìn)行了低速下流動(dòng)和換熱的數(shù)值模擬 ，得到了流速與換熱系數(shù)的關(guān)系，以及不同流速下翅片管流動(dòng)與換熱的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和速度與溫度梯度的夾角場(chǎng)，并首次利用場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)行了分析 9結(jié)果表明：當(dāng)流速很低時(shí)，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場(chǎng)的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場(chǎng)的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。作為其中的關(guān)鍵部件，換熱器的性能與效率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。 12 第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過程的描述 流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結(jié)構(gòu)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(dòng)時(shí)，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進(jìn)入充分發(fā)展段，流動(dòng)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(dòng)與換熱。（如圖 23） 另外，為了保證流體進(jìn)口處于充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)避免出流邊界回流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)口延長(zhǎng) 1～ 2 倍，出口延長(zhǎng) 5～ 6 倍，保證出口邊界沒有回流。 (m該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。 (5) 換熱系數(shù)： mtAh ??? 其中：Φ 翅片與空氣總換熱量， w/m3； )( ino u tpm ttCq ??? qm質(zhì)量流量， Kg/s； Cp空氣比熱容， J在計(jì)算中，翅片和流體分別采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。由于擴(kuò)散項(xiàng)多是采用相當(dāng)于二階精度 19 的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對(duì)流項(xiàng)上。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。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計(jì)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(duì)微分方程中不同的項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)。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， FEM) 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(jiǎn)便而有效的，而且很容易引入對(duì)流項(xiàng)的高階格式。