【正文】 ? 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， Pa K) 1； Tin， Tout空氣進(jìn)出口平均溫度， K A翅片與管壁總換熱面積， m2； △ tm對(duì)數(shù)平均溫差， K； )ln ()()(outbinboutbinbmttttttttt??????? Tb翅片壁面平均溫度， K。 (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)。 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。 (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。這是有限體積法吸引人的 優(yōu)點(diǎn)。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。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。首先，流動(dòng) 問(wèn)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(wú)法達(dá)到的理想條件。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， FLUENT 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(wèn)題。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(wèn)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(cè)參量并初始化流場(chǎng)； (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(guò)程計(jì)算。 (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(lái)適應(yīng)管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量，最小間距為 。 27 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(chǎng)、溫度 場(chǎng)及速度場(chǎng)的分布云圖，并計(jì)算努賽爾數(shù) Nu、阻力系數(shù) f。 圖 41 入口速度為 圖 42 入口速度為 29 溫度場(chǎng)分布 圖 4 46 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(wú)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。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圖 47 入口速度為 圖 48 Re 數(shù)與 Nu 數(shù)關(guān)系圖 31 特性入手。這種變化特性與翅 片間的流動(dòng)情況有關(guān)。 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。 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，圖 416 2 排管內(nèi)速度分布圖 圖 417 2 排管內(nèi)流線圖 圖 418 4 排管流道內(nèi)壓力分布圖 圖 419 4 排管流道內(nèi)速度分布圖 圖 420 不同管排流道內(nèi) uh 關(guān)系圖 35 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。 橫向間距對(duì)壓降性能的影響 由上圖 u△ P 關(guān)系看出。 管排橫向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 管排間距直接影響了流體通道內(nèi)溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，對(duì)換熱與阻力特性有重要影響，合理布置管排能更好地協(xié)調(diào)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)的協(xié)同性，提高換熱器流動(dòng)與化熱綜合性能。 多排管束的流場(chǎng)分 布 圖 412 不同翅片間距下速度與壓降關(guān)系圖 圖 413 不同翅片間距下 Re 與 f 關(guān)系圖 圖 414 2 排管流道溫度分布圖 圖 415 2 排管流道壓力分布圖 34 上圖中分別給出 2 排、 4 排叉排管束模擬流動(dòng)的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。在 Re 較大時(shí)，漩渦流對(duì)換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強(qiáng)化換熱作用越大，而翅片間距的大小主要反映在翅片對(duì)漩渦流的抑制作用的程度。由上圖 Ref 關(guān)系看出，隨 Re 增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。同時(shí)出口溫度隨流速的增大而減小。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響 本節(jié)針對(duì)單排平直翅片管，通過(guò)改變進(jìn)口來(lái)流速度來(lái)變化雷諾數(shù)的大小，分析不同雷諾數(shù)下平直翅片管的換熱與阻力特性。 25 求解器的選擇 FLUENT 在求解器算法上 有四種選擇：即非耦合顯式、耦合顯式、非耦合隱式和耦合隱式。網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對(duì)仿真的精度及計(jì)算效率有重要的影響。對(duì)于二維問(wèn)題，可生成 三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對(duì)于三維問(wèn)題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。該軟件專門用來(lái)進(jìn)行流場(chǎng)分析、流場(chǎng)計(jì)算、流場(chǎng)預(yù)測(cè)。這里的計(jì)算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。 CFD這一始于本世紀(jì)三十年代到如今的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。 有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。 (2) 有限容積法 (Finite Volume Method， FVM) 有限容積法又稱為控制體積法。 (7) 對(duì)于 Y 方向上的空氣流道和進(jìn)出 口延長(zhǎng)區(qū)均采用對(duì)稱絕熱邊界條件。 物理模型的邊界條件及初始條件 為保證無(wú)回流，在空氣流動(dòng)的方向上，入口、出口做適當(dāng)延長(zhǎng)。 16 (3) 努塞爾數(shù)： ?ehDNu? 其中： h空氣對(duì)流換熱系數(shù)， W/(K該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。m 3 粘度μ / Pa基本尺寸如下：管子直徑 D= 10mm，管排橫向間距S2= 22mm，管排縱向間距 S1= 16mm，翅片厚度δ = ，翅片間距 S= 。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。 (7) 20xx 年，傅明星 [16]利用三維穩(wěn)態(tài)模擬研究了叉排和順排布置形式、幾何尺寸和雷諾數(shù) Red 對(duì)雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)特性的影響，研究成果豐富。同時(shí)借助可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了翅片間距對(duì)傳熱、流阻的影響。 (6) 1996 年 ，何國(guó)庚 [13]等分別對(duì) 16 排、 26 排和 32 排的平翅片空氣冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，指出風(fēng)速對(duì)風(fēng)側(cè)阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時(shí)，風(fēng)速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)速的影響也趨向穩(wěn)定。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來(lái)看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢(shì)，從以前的 ， 到現(xiàn)在的 ；二是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度，可通過(guò)不斷改變氣流來(lái)流 方向，來(lái)達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型； 三是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。它能夠提供在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的最 重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對(duì)它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對(duì)改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計(jì)型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導(dǎo)意義。 采用附加表面來(lái)增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布就是強(qiáng)化空氣 側(cè)換熱最常用的手段之一，翅片管換熱器（如圖 11）就是基于上述原理制造出來(lái)的。無(wú)論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來(lái)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn)，但這些方法有許多缺點(diǎn)，例如換熱管的加工制作工藝過(guò)于復(fù)雜，增加金屬消耗量從而增加換熱器重量，又易于造成管子堵塞，換熱能力增強(qiáng)的同時(shí)，阻力也相對(duì)增大許多，從而造成運(yùn)行成本的提高等。換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強(qiáng)化換熱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。s flow and heat transfer performance， so as to provide a theoretical basis for the disgn， improvement and optimization of plainfinned tude heat exchangers． Key words: numerical simulation； plainfin； laminar flow； heat transfer III 目 錄 摘 要 ...................................................................................................................................... I Abstract......................................................................................................................................II 第一章 緒論 ......................................................................................................................... 1 課題背景及研究意義 ............................................................................................. 1 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 ................................................................................. 4 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 ................................................................. 7 本文的主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................... 11 第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 ............................................................... 12 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)程的描述 ................................................... 12 平直翅片管換熱器物理模型的建立 ................................................................... 12 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述