【正文】 諾數(shù)： 其中：空氣密度，kg/m3； De當(dāng)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(jì)算為三維流動(dòng)，假設(shè)空氣流動(dòng)是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由于進(jìn)口延長區(qū)的存在，認(rèn)為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱已進(jìn)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(jì)。 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(jì)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(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動(dòng)，翅片管管壁面溫度恒定，且認(rèn)為流動(dòng)與換熱在經(jīng)過進(jìn)口延長區(qū)后均已進(jìn)入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個(gè)周期中的流動(dòng)與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。(6) 2006年，徐百平等[11]對換熱器內(nèi)的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。后來， Torikoshi對板間通道進(jìn)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(shí)整個(gè)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)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(jìn)展及成果人們在進(jìn)行強(qiáng)化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強(qiáng)化換熱的方法。雖然在某些研究領(lǐng)域中，目前數(shù)值計(jì)算幾乎已取代了實(shí)驗(yàn)研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值計(jì)算這三種研究手段則是相輔相成、互為補(bǔ)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(fù)雜，以解析方法及實(shí)驗(yàn)方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算傳熱學(xué)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。采用平直翅片加強(qiáng)傳熱的機(jī)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(qiáng)烈的紊動(dòng)，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(qiáng)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(qiáng)換熱能力[6]。這幾個(gè)目的不可能同時(shí)滿足，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ブ萍s的，在選擇某一種強(qiáng)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(fèi)用進(jìn)行綜合平衡[4]。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對于整個(gè)企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動(dòng)力消耗有著重要影響。因而，對其翅片管束通道內(nèi)的流動(dòng)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(dòng)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(dòng)與換熱模型進(jìn)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(dòng)，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對稱性，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。第四部分 翅片管數(shù)值計(jì)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(jìn)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?yàn)槿绱藗鳠釓?qiáng)化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，無論在動(dòng)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(qiáng)化問題。其中，方法(5)是一種嶄新的強(qiáng)化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強(qiáng)化換熱的方法會明顯帶來流動(dòng)阻力的大幅增加，而很多時(shí)候阻力增加的代價(jià)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(qiáng)化傳熱技術(shù)在強(qiáng)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(cuò)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(qiáng)化。數(shù)值傳熱學(xué)（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱計(jì)算傳熱學(xué)（Computational Heat Transfer，CHT）是指對描寫流動(dòng)與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法通過計(jì)算機(jī)予以求解的一門傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。(2) 研究周期短。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。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)。(2) 1978年，McQuiston發(fā)表了第一個(gè)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(jìn)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(jì)算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進(jìn)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(jì)和改進(jìn)、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。這樣可以對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對較短的時(shí)間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。K) 1導(dǎo)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(dòng)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(jìn)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(jì)算中確定，因而是一個(gè)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(diǎn)所組成的點(diǎn)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(dòng)與傳熱問題的偏微分方程中的每一個(gè)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，其中包含了本節(jié)點(diǎn)及其附近一些節(jié)點(diǎn)上所求量的未知值。有限容積法從描寫流動(dòng)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(dǎo)數(shù)的（擴(kuò)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(diǎn)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(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)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(fù)雜問題的流場內(nèi)各個(gè)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(shí)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(jì)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(jìn)行工程計(jì)算和模擬已經(jīng)越來越廣泛。因?yàn)榫W(wǎng)格的正交性越好，計(jì)算越準(zhǔn)確，越易收斂，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實(shí)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(shí)對于體劃分六面體結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算容易收斂。 控制方程的離散及收斂標(biāo)準(zhǔn)本文研究為不可壓縮空氣穩(wěn)態(tài)的層流流動(dòng)，對于控制方程的離散：連續(xù)性方程采用Standard格式，動(dòng)量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)差分格式（Second Order Upwind），并選擇標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dòng)壓降逐漸增大，且隨著雷諾數(shù)的增大，流動(dòng)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(shí)（約為u），隨著管排縱向間距的增大，換熱性能變強(qiáng)，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(shí)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(shí)大，而尾流漩渦區(qū)的速度幾乎為零，換熱能力很差，從而導(dǎo)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(dāng)空氣進(jìn)口速度u（Re數(shù)1550～1800范圍）時(shí)，隨翅片間距的增加，換熱能力h是逐漸降低的；當(dāng)u（Re數(shù)1550～1800范圍）時(shí)，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。陰繼翔老師淵博的學(xué)識、敏銳的思維、民主而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)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(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，這對你本人以后的學(xué)生和生活有深遠(yuǎn)影響。流體速度和溫度的瞬態(tài)測量已經(jīng)可以實(shí)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(dǎo)地位。Yu等人（2005年）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jī)械應(yīng)力并且導(dǎo)致?lián)Q熱面的變形/失敗。從結(jié)果中得出，一個(gè)經(jīng)過傳熱強(qiáng)化的面可以設(shè)計(jì)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(gè)平面上，一個(gè)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(jìn)行了研究。強(qiáng)化換熱面導(dǎo)致一系列變化：擾動(dòng)的增強(qiáng)；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(qiáng)化傳熱面的測評顯示傳熱性能提升了超過40%，同時(shí)還產(chǎn)生了一個(gè)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(dòng)，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(diǎn)，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(dòng)阻力越小，且當(dāng)流速較小時(shí)，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(dāng)間距增加時(shí)，管子之間的流道變寬，流動(dòng)更加順暢，使尾跡區(qū)擾動(dòng)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(jì)算表明：翅片間距對換熱性能的影響與雷諾數(shù)有關(guān)，當(dāng)空氣進(jìn)口速度u（對應(yīng)Re數(shù)在1550～1800范圍）時(shí)，隨翅片間距的增加，換熱能力是逐漸降低的；當(dāng)u（Re1550～1800范圍）時(shí)，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。同時(shí)，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(fēng)面，翅片的前緣效應(yīng)使得傳熱得到強(qiáng)化。由圖443看出，當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時(shí)，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(dòng)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(jìn)口速度(～ m/s)，在 PC機(jī)上借助FLUENT軟件,分別計(jì)算分析傳熱及阻力。(2) 對于管子周圍及近翅片等流動(dòng)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(xì)的求解方案，應(yīng)先考慮幾個(gè)主要因素，包括決定CFD模型目標(biāo)、選擇物理模型和計(jì)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(gè)投放市場的基于有限容積法的軟件。 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)CFD的長處是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣。具體說就是要建立反映問題各個(gè)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(diǎn)。因而針對上述常用的數(shù)值計(jì)算方法，從實(shí)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(dǎo)出的離散方程可