【正文】 (5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認為絕熱條件 (Heatflux 為 0)。 K) 1； Tin， Tout空氣進出口平均溫度， K A翅片與管壁總換熱面積， m2； △ tm對數(shù)平均溫差， K； )ln ()()(outbinboutbinbmttttttttt??????? Tb翅片壁面平均溫度， K。 相關參數(shù)的確定 (1) 當量直徑： 本文當量直徑取為翅片管外徑 De= Do= 10mm (2) 雷諾數(shù)： ?? ma xRe Deu? 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， Pa s1 ～ 基本控制方程 本文計算為三維流動，假設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，導熱系數(shù)為 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) 2020 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”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 種不同結構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。本文將針對平直翅片管對換熱特性與流動阻力的影響利用商業(yè)軟件 進行數(shù)值模擬。 研究發(fā)現(xiàn)，翅片管式換熱器管內(nèi)熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側的熱阻比為 2∶ 1∶ 7[5]。但由于氣體導熱系數(shù)和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無法實現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。 現(xiàn)在，對傳統(tǒng)換熱器設備強化換熱研究主要集中在三大方向上 [1]：一是開發(fā)新的換熱器品種，如板式、螺旋板式、振動盤管式、板翅式等等，這些換熱器設計思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化措施。 近十幾年來，世界面臨著能源短缺的局面，為緩和能源緊張的狀況，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術已成為當前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。 本文針對平直翅片管內(nèi)的流動特點，主要對以下內(nèi)容進行研究：簡單概 述平直翅片管研究的動態(tài)及現(xiàn)狀，并在對比分析對其進行實驗法、分析法及數(shù)值方法的優(yōu)劣的基礎上，確定本文采用數(shù)值方法，使用 GAMBIT 軟件對不同結構尺寸的平直翅片管建立物理模型，并通過 軟件對其翅片管通道內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬，計算 Re 數(shù)與努塞爾數(shù) Nu、阻力系數(shù) f 的關系，分析流動參數(shù) Reynolds 數(shù)、翅片間距、管排數(shù)、翅片管管排間距（橫向間距和縱向間距）等因素對平直翅片管流動與換熱性能的影響，探討不同結構通道內(nèi)的流動特征及阻力特性，為工業(yè)應用上平直翅片管結構的設計和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。空氣物性參數(shù)為 ： 第 2 頁 3 3mkg1225ρ ? ， smkg101 .7 8 9 4μ 5 ??? ， KkgJ10 06 .43C p ?? ， ?? ，管外壁面溫度恒定： K318Tw ? 。 原始數(shù)據(jù)： 平直翅片管式換熱器在空調(diào)制冷、電子器件散熱設備中最為常 見。 第三部分 平直翅片管數(shù)值模擬及 CFD 簡介 該部分主要介紹了數(shù)值傳熱學理論及常用數(shù)值解法，并分析實驗法、分析法和數(shù)值解法各自的優(yōu)勢；描述了 CFD 理論思想基本概況、利用 GAMBIT 對 計算區(qū)域離散的方法及 FLUENT 數(shù)值算法的選取。它的任 務是促進和適應高熱流，以達到用最經(jīng)濟的設備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護高溫部件的安全運行，以及用最高效率來實現(xiàn)能源的有效利用。 強化傳熱是實現(xiàn)換熱器高效、緊湊換熱的主要途徑，其基本元件的開發(fā)研究一直備受關注，各種行業(yè)對強化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強化傳熱技術總可以達到下列目的 [2]： (1) 減少初設計的傳熱面積和重量； (2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力； 2 (3) 使換熱器在較低的溫差下工作； (4) 減少換熱器的阻力，以減少換熱器運行時的動力消耗； (5) 提高換熱器的換熱器能力，同時使得增加的阻力不至于 太大。因此，它們在強化效果、加工造價、流道通暢、使用壽命、流動阻力等方面上都有待改進，尤其在上述諸性能的綜合性能上參差不齊，需要探索更合理的方式 [5]。 翅片的發(fā)展主要分為三個階段 :連續(xù)型翅片、間斷型波紋翅片和帶渦流發(fā)生器的翅片。 翅片管強化傳熱的數(shù)值解法 隨著高速計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代計算技術的發(fā)展，以及湍流模型的不斷發(fā)展與完善，使用電子計算機作為模擬和實驗的手段成為可能，從而可以用數(shù)值方法來求解流體力學和傳熱學中的各種各樣的問題。在大多數(shù)實際應用中，計算機運算的成本要比相應的實驗研究的成本低好幾個數(shù)量級。與實驗的情況不同，在計算中幾乎沒有不能達到的位置。 實驗測量方法是研究流動與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實驗結果是真實可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎，一方面補充現(xiàn)有的結構模型試驗數(shù)據(jù)庫，另一方面為工程設計人員提供新的技術支持，同時還可以與數(shù)值模擬的結果進行對比來改進試驗設計，因而其重要性不容低估。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。 (7) 1996 年以來， Wangel一直致力于翅片管的研究，對平翅片換熱器也做了大量的研究，同時針對翅片換熱器的發(fā)展形式，對小管徑和小結構尺寸的換熱器進行了研究，得出大量十分有價值的研究成果。 (3) 宋富強對不同風速下的傳熱機理進行場協(xié)同數(shù)值研究，得到了 不同位置速度矢量與溫度梯度的協(xié)同程度，發(fā)現(xiàn)低流速時，全場的溫度梯度與速度協(xié)同程度好，因而換熱速率隨流速近線型增加，但管子背風側的換熱強度較差。 (8) 2020 年，馬挺、曾敏 [17]等數(shù)值模擬方法對平直翅片管燃氣側在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進行了對比研究，數(shù)值模擬結果表明：燃氣進口溫度對 Nu數(shù)影響較大，溫差對阻力系數(shù) f 影響較大，輻射對 Nu數(shù)影響較 大，對阻力系數(shù) f 影響很小。 3. 根據(jù)有限容積法的二階迎風格式（ Second Order Upwind）對計算區(qū)域進行離散化，對離散后的控制方程設置邊界條件和初始條件，并采用標準的 SIMPLE 算法和穩(wěn)定的層流模型來求解壓力速度耦合問題，對于翅片表面溫度分布，采用翅片導熱與流體對流換熱耦合求解。幾何結構如圖 21 和圖 22 所示： 圖 21 叉排布置的翅片管換熱器 圖 22 順 排布置的翅片管換熱器 13 計算區(qū)域的選取 在實際模擬計算中受到計算機軟硬件的限制和從計算效率方面的考慮，不對完整的換熱器建立計算模型，而對幾何模型進行簡化處理。 s 10 5 比熱 Cp/ J對于本文研究問題可簡化為： 15 0????????? zyxu ?? (2) 動量方程，也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。m2) ； ? 空氣導熱系數(shù)， W/(K邊界條件的具體確 17 定如下 (如圖 25 示 )： (1) 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認為翅片根部及翅片翻邊部分溫度與鋁制管壁為恒壁溫條件 318K。 圖 25 邊界條件設定圖 18 第三章 基于 Fluent 平直翅片管數(shù)值模擬及 CFD 簡介 常用數(shù)值計算方法簡介 數(shù)值解法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學上適用、適合于在計算機上進行計算的離散的有限數(shù)學模型，且最終結果不能提供任何形式的解析表達式，只是有限個離散點上的數(shù)值解，并有一定的計算誤差，但由于它在求解復雜微分方程時的獨特優(yōu)勢，依然得到廣泛的應用，并且通過 CFD 軟件得以商業(yè)化運行。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。在有限元方法中，把計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近 單元中的真解，整個計算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構成。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并將其作為近似解。其基本思想可以歸結為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關