【正文】 冷與空調系統(tǒng)中應用非常廣泛。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數(shù)值模擬結果發(fā)現(xiàn)，傳熱隨著兩種間距的增大而減小，進一步場協(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、流場總體協(xié)同性越好。指出在不同的雷諾數(shù)下，空氣側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系 [11]。 (2) 1978 年， McQuiston 發(fā)表了第一個基于五種結構參數(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，在計算機上實現(xiàn)了一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。人們有時為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動充分發(fā)展等等，在 數(shù)值計算中很容易實現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實驗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]。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。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。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]。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]。 第五部分 結論 學生應交出的設計文件（論文）： 畢業(yè)設計一份 第 4 頁 5 主要參考文獻（資料）： 1. 李祥華，宋光強．幾種新型換熱器的特點及使用狀況對比 [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驗研究 [J]．石油化工高等學校學報． 1996， 9（ 2）： 4953． 3. 孟繼安．基于場協(xié)同理論的縱向渦強化換熱技術及其應用 [D]．北京：清華大學航天航空學院， 2020， 15． 4. 陶文銓．計算流體力學與傳熱學 [M]．西安：西安交通大學出版社： 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驗研究 [J]．西安交通大學學報． 1994， 28(1)： 9198． 6. 柳飛，何國庚．多排數(shù)翅片管空冷器風阻特性的數(shù)值模擬 [J]．制冷與空調． 2020， 4(4)： 3033． 7. 宋富強，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 大學學報． 2020， 36(9)： 899902． 8. 徐百平，江楠等．平直翅片管翅式換熱器減阻強化傳熱數(shù)值模擬 [J]．石油煉制與化工． 2020，9(37)： 4549． 9. 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]．工程熱物理學報． 2020， 5(24)： 826829． 10. 劉建，魏文建，丁國良．翅片管式換熱器換熱與壓降特性的實驗研究進展 [J]．制冷學報． 2020，(3)： 2530． 專業(yè)班級 熱能 0703 班 學生 張 謙 要求設計（論文）工作起止日期 2020 年 3 月 14 日至 2020 年 6 月 18 日 指導教師簽 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 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)和制冷空調裝備中的一個重要部件，對其換熱性能的研究一直是科研人員熱衷的課題。所以，本文僅取一個單元周期區(qū)域研究即可（見圖中虛線所圍部分）。假設流動介質為不可壓縮空氣，物性參數(shù)為常數(shù)，忽略重力影響，流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流且已進入周期性充 分發(fā)展段。盡管它在結構的緊湊性、傳熱強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、適應性強、工作可靠、制造簡單、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣等優(yōu)點，仍在能源、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占 30%～ 40%；在制冷機組中，蒸發(fā)器和凝結器的重量占機組總重量的 30%～ 40%，動力消耗占總值的 20%～ 30%；在熱電廠中，如果將鍋爐也視作換熱設備，則換熱器的投資約占整個電廠總投資的 70%左右 [2]。不同的強化傳熱技術可滿足不同的要求，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，或減少換熱器的動力消耗。在層流對流換熱情況下，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，因此對層流換熱所采取的強化措施是使流體產(chǎn)生強烈的 3 徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場、溫度場趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進而強化層流換熱。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、化工、電子微器件散熱（如 CPU 熱管式散熱器 圖 11 翅片管式換熱器實物模型 4 圖 12 和 13）等多個工業(yè)領域都得到廣泛的應用 [7]。上述基本思想可以用圖 15 來表示。用計算機進行計算和研究能以及其驚人的速度進行。 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。它可以通過比較各種型號的換熱器的換 7 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。 (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]。 (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]。 (4) 2020 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。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。 12 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。（如圖 23） 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。 (m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。 (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質量流量， Kg/s； Cp空氣比熱容， J在計算中，翅片和流體分別采用各自的導熱系數(shù)。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。由于擴散項多是采用相當于二階精度 19 的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對流項上。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)。故有限容積法是 CFD 進行數(shù)值計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。 (3) 有限元法 (FiniteElementMethod， FEM) 有限元方法的基礎是變 分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。 在規(guī)則區(qū)域的結構化網(wǎng)格上，有限差分法是十分簡便而有效的，而且很容易引入對流項的高階格式。