【正文】 諾數(shù)： 其中：空氣密度，kg/m3； De當量直徑，m；Umax流道最小截面空氣流速，m/s；空氣粘度，Pas1～ 基本控制方程本文計算為三維流動，假設(shè)空氣流動是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動，由于進口延長區(qū)的存在，認為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動與換熱已進入周期性的充分發(fā)展階段。（空氣物性參數(shù)如表21）；⑤ 對輻射換熱和重力影響忽略不計。 平直翅片管換熱器物理模型的建立 物理模型的幾何尺寸 本文計算模型的幾何尺寸是在參照目前商用空調(diào)換熱器常用的尺寸基礎(chǔ)上確定的，并通過前處理軟件GAMBIT建立模型，兩者的外形基本相同，翅片及基管均為鋁質(zhì)材料， W/ (m具體內(nèi)容如下：1. 假定流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動，翅片管管壁面溫度恒定，且認為流動與換熱在經(jīng)過進口延長區(qū)后均已進入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個周期中的流動與換熱控制方程數(shù)學模型。(6) 2006年，徐百平等[11]對換熱器內(nèi)的流動與傳熱進行了數(shù)值模擬研究。后來， Torikoshi對板間通道進行了3D數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)只要翅片間距足夠小，管子后漩渦將被翅片的“壁面效應(yīng)”抑制，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。(5) 1994年，康海軍[12]等對平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對9種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進行了實驗，發(fā)現(xiàn)片距對傳熱的影響依賴于臨界Re 數(shù)，對于層流來講，片間距的增加會導致?lián)Q熱的下降 ，而對于阻力而言，片間距越大，阻力越小，且兩排管的性能優(yōu)于三、四排管。[2] 平直翅片管換熱器的研究進展及成果人們在進行強化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強化換熱的方法。雖然在某些研究領(lǐng)域中，目前數(shù)值計算幾乎已取代了實驗研究，但在流體力學與傳熱學的領(lǐng)域中，實驗研究、理論分析與數(shù)值計算這三種研究手段則是相輔相成、互為補充的。(3) 數(shù)據(jù)完整。由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對換熱效果的影響十分復雜，以解析方法及實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，計算傳熱學與計算流體動力學發(fā)揮著越來越重要的作用。采用平直翅片加強傳熱的機理是傳熱面積的增大和水力直徑的減小，使流體在通道中形成強烈的紊動，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。在湍流對流換熱情況下，由于流體核心的速度場和溫度場都已經(jīng)比較均勻，對流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對湍流換熱所采取的主要強化措施是破壞邊界層，使傳熱溫差發(fā)生在更加貼近壁面的流體層中，增強換熱能力[6]。這幾個目的不可能同時滿足，因為它們是相互制約的，在選擇某一種強化技術(shù)前，必須先根據(jù)其具體任務(wù)，對設(shè)備體積、重量、投資及操作費用進行綜合平衡[4]。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運轉(zhuǎn)和改進對于整個企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動力消耗有著重要影響。因而，對其翅片管束通道內(nèi)的流動與傳熱問題的研究具有十分重要的意義。管徑10cm，管排縱向間距為22mm，橫向間距為16mm。通常管子以叉排和順排兩種方式排列，且流動換熱在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)各不相同，其流場與溫度場可用周期性的流動與換熱模型進行模擬，具體問題如下：流體橫掠平直翅片管管束，管內(nèi)外流體形成交叉流動，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對稱性，計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的一半來進行，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。第四部分 翅片管數(shù)值計算結(jié)果及分析該部分主要針對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管數(shù)值模擬的結(jié)果（速度場、壓力場及溫度場）進行顯示、并對數(shù)據(jù)整理，分析其各因素對翅片管換熱與阻力特性的影響。正因為如此傳熱強化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，無論在動力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程領(lǐng)域，還是航空航天、電子、核能等高技術(shù)領(lǐng)域，都不可避免的涉及熱量的傳遞及其強化問題。其中，方法(5)是一種嶄新的強化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強化換熱的方法會明顯帶來流動阻力的大幅增加，而很多時候阻力增加的代價是大于換熱增加帶來的效益的，出現(xiàn)這種情況就會得不償失了。 翅片管換熱器強化傳熱技術(shù)在強化傳熱方法研究中，換熱器氣體側(cè)的傳熱熱阻是提高換熱器傳熱效果的主要障礙。其中，連續(xù)型翅片包括平直型、波紋型等翅片；間斷型翅片包括百葉窗翅片、錯位翅片等；帶渦流發(fā)生器翅片主要是通過渦流發(fā)生器產(chǎn)生橫向渦和縱向渦來使換熱強化。數(shù)值傳熱學（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱計算傳熱學（Computational Heat Transfer，CHT）是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法通過計算機予以求解的一門傳熱學與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學科。(2) 研究周期短。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。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。(2) 1978年，McQuiston發(fā)表了第一個基于五種結(jié)構(gòu)參數(shù)（、管排間距為22mm、管排數(shù)為4）的平翅片換熱及壓降通用關(guān)聯(lián)式[11]。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]。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數(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。 本文的主要研究內(nèi)容綜上所述，影響翅片的換熱及阻力特性因素眾多，翅片管式換熱器在制冷與空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。5. 對計算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進行后處理，并對數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論，為工業(yè)應(yīng)用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。這樣可以對網(wǎng)格進行細化，同時節(jié)約了計算機資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對較短的時間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。K) 1導熱系數(shù)λ/ W表示如下： (3) 能量方程，是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。(4) 范寧阻力系數(shù)： 其中：△P流體進出口壓降，Pa；τw壁面剪應(yīng)力，N/m2；L翅片縱向長度，S1。(4) 對于翅片表面，翅片溫度需要在計算中確定，因而是一個耦合求解換熱問題。其基本思想是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線的交點所組成的點的集合來代替，以Taylor級數(shù)展開等方法，把描寫所研究的流動與傳熱問題的偏微分方程中的每一個導數(shù)項用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，其中包含了本節(jié)點及其附近一些節(jié)點上所求量的未知值。有限容積法從描寫流動與傳熱問題的守恒型控制方程出發(fā)，對它在控制容積上作積分，在積分過程中需要對界面上被求函數(shù)的本身（對流通量）及其一階導數(shù)的（擴散通量）構(gòu)成方式作出假設(shè)，這就形成了不同的格式。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。有限體積法只尋求的結(jié)點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網(wǎng)格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。(4) 顯示計算結(jié)果。CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成（如圖31）。目前利用GAMBIT和FLUENT進行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛。因為網(wǎng)格的正交性越好，計算越準確，越易收斂，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，網(wǎng)格生成的速度較快，質(zhì)量較好，同時對于體劃分六面體結(jié)構(gòu)簡單，計算容易收斂。 控制方程的離散及收斂標準本文研究為不可壓縮空氣穩(wěn)態(tài)的層流流動，對于控制方程的離散：連續(xù)性方程采用Standard格式，動量方程和能量方程均采用二階迎風差分格式（Second Order Upwind），并選擇標準的Simple算法求解壓力速度耦合問題。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。而在管后壓力變化平坦。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。 翅片間距對壓降特性的影響圖413 不同翅片間距下Re與f關(guān)系圖圖412 不同翅片間距下速度與壓降關(guān)系圖 圖412顯示出不同間距下，空氣進出口壓降與來流速度u的關(guān)系，明顯看出：隨翅片間距的減小，流動壓降逐漸增大，且隨著雷諾數(shù)的增大，流動阻力增加的幅度也在增加。由圖415和圖418得，管子前緣壓力梯度較大，后緣區(qū)壓力變化都較平緩，主要由于：一方面流速降低會使靜壓增大，而另一方面由于壁面剪切力會使壓力降低。 不同橫向間距的管排內(nèi)流場分布圖423 圖422 圖425 圖424 圖426 圖427 以上為翅片管橫向間距/、壓力、速度場分布圖。 縱向間距對換熱性能的影響圖436 不同縱向間距uh關(guān)系圖由圖看出，在流速較小時（約為u），隨著管排縱向間距的增大，換熱性能變強，隨著流速的增加，管排縱向間距越大，換熱性能變差。 順排、叉排方式換熱性能的差異分析圖446 不同管排方式uh關(guān)系圖由上圖uh關(guān)系圖得出，在研究的來流速度范圍內(nèi)，叉排管束的換熱性能要明顯優(yōu)于順排管束，從速度場、溫度場分析，主要由于順排時前、后排管的尾流區(qū)連接在一起形成了寬度為D的尾流通道，其寬度和面積都比交叉排列時大，而尾流漩渦區(qū)的速度幾乎為零，換熱能力很差，從而導致順排傳熱性能比叉排方式要差。(3) 對于翅片間距的影響，當空氣進口速度u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力h是逐漸降低的；當u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強。陰繼翔老師淵博的學識、敏銳的思維、民主而嚴謹?shù)淖黠L和對事業(yè)的執(zhí)著精神給了本人很大的啟迪和深刻的影響，使本人受益匪淺，使本人培養(yǎng)了嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，這對你本人以后的學生和生活有深遠影響。流體速度和溫度的瞬態(tài)測量已經(jīng)可以實現(xiàn)。在空氣液體換熱器的典型應(yīng)用中，空氣側(cè)的阻力占主導地位。Yu等人（2005年）進行了實驗研究和數(shù)值模擬研究來比較平直翅片表面的熱力性能。雖然從傳熱效率的角度看百葉窗式翅片是有優(yōu)勢的，但是百葉窗的形成增加了翅片板的機械應(yīng)力并且導致?lián)Q熱面的變形/失敗。從結(jié)果中得出，一個經(jīng)過傳熱強化的面可以設(shè)計出來并可以適用于更寬泛的Re數(shù)范圍。Sara等人（2000年）測定了附著在一個平面上，一個矩形管道里的固體和穿孔矩形塊的熱力性能。Li和Chen（2007年）利用紅外熱成像法對平直翅片面在受限的沖擊射流條件下的性能進行了研究。強化換熱面導致一系列變化：擾動的增強；二次流的產(chǎn)生；熱邊界層厚度的減薄和換熱面積的增加。這里強化傳熱面的測評顯示傳熱性能提升了超過40%，同時還產(chǎn)生了一個更加均勻的流量分布。為了能夠了解存在于光滑平行平板陣列之間的基本流動，前人已經(jīng)做了大量的研究。(4) 對于管排數(shù)的影響，單排管換熱性能優(yōu)于雙排管束，且管排越多，壓降越大。結(jié) 論平直翅片管換熱器是工業(yè)傳熱過程中的關(guān)鍵設(shè)備，以其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧緊湊、高效耐用、綜合性能較好等特殊優(yōu)點，已在制冷空調(diào)、電子器件散熱及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 縱向間距對阻力性能的影響圖437 不同縱向間距速度與壓降關(guān)系圖由圖437可明顯看出趨勢，縱向間距越大，壓降越小，流動阻力越小，且當流速較小時，縱向間距對阻力特性影響較小，隨著流速增加，不同縱向間距翅片管壓降差別也愈明顯。 橫向間距對換熱性能的影響圖428 不同橫向間距uh關(guān)系圖由上圖uh關(guān)系看出，管排橫向間距對翅片管的換熱性能有較大影響，隨著橫向間距的增大，換熱系數(shù)減小，換熱能力下降，說明間距越小換熱性能越好，這主要由于當間距增加時，管子之間的流道變寬，流動更加順暢，使尾跡區(qū)擾動減弱，換熱減弱。 管排數(shù)對換熱特性的影響圖420 不同管排流道內(nèi)uh關(guān)系圖由上圖得，在雷諾數(shù)Re=750～1700的研究范圍內(nèi)，單排管的換熱性能明顯好于雙排管。從圖413看出，在相同雷諾數(shù)Re下，翅片間距越小，阻力系數(shù)越大，尤其是在低雷諾數(shù)下，翅片間距對摩擦系數(shù)的影響較大，隨著雷諾數(shù)的增大，摩擦系數(shù)下降幅度減小。計算表明：翅片間距對換熱性能的影響與雷諾數(shù)有關(guān)，當空氣進口速度u（對應(yīng)Re數(shù)在1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力是逐漸降低的；當u（Re1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強。同時，由速度場和溫度場可以看出，由于管子前額邊界層較薄，熱阻較小，且溫度梯度大，故平直翅片管換熱主要集中在管道的迎風面，翅片的前緣效應(yīng)使得傳熱得到強化。由圖443看出，當雷諾數(shù)Re較小時，流體緩慢的繞過管子不會發(fā)生脫體，而隨著雷諾數(shù)增大到一定值，近壁處的流體受壁面影響由于動量不大，由于邊界層厚度的增加，速度降為零發(fā)生回流，形成繞流脫體現(xiàn)象，并在管后形成滯止漩渦。給定不同的進口速度(～ m/s)，在 PC機上借助FLUENT軟件,分別計算分析傳熱及阻力。(2) 對于管子周圍及近翅片等流動參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密。 利用FLUENT的求解步驟在使用FLUENT前，應(yīng)針對所要求解的物理問題，制訂比較詳細的求解方案，應(yīng)先考慮幾個主要因素，包括決定CFD模型目標、選擇物理模型和計算模型、決定求解過程。圖31 CFD軟件的一般組成結(jié)構(gòu) FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介，繼PHOENICS軟件之后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。 計算流體動力學的特點CFD的長處是適應(yīng)性強、應(yīng)用面廣。具體說就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。因而針對上述常用的數(shù)值計算方法，從實施的難易及發(fā)展成熟程度而言，有限容積方法研究最為活躍，用有限體積法導出的離散方程可