【正文】 雖然一個(gè)附著在管壁上的簡(jiǎn)單堅(jiān)實(shí)的平直翅片能強(qiáng)化傳熱，但一個(gè)附著在同樣管壁上的多孔隙的平翅片會(huì)造成更小的流動(dòng)阻力同時(shí)也產(chǎn)生更好的性能。因而，改善增強(qiáng)空氣側(cè)的傳熱成為高效率換熱系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求的迫切要求。在此，謹(jǐn)向陰繼翔老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！感謝電氣與動(dòng)力工程學(xué)院全體老師對(duì)本人的教導(dǎo)、幫助和關(guān)心！感謝熱能0703班的全體同學(xué)對(duì)本人的幫助！最后向所有給予我?guī)椭耐瑢W(xué)、老師致以誠(chéng)摯的謝意和深深的祝福！英文資料中文翻譯強(qiáng)化傳熱面的發(fā)展摘要如今，在高性能熱力系統(tǒng)的發(fā)展中，強(qiáng)化傳熱成為熱門(mén)的領(lǐng)域。 順排、叉排方式壓降特性的差異分析圖447 不同管排方式速度與壓降圖由上圖速度壓降關(guān)系圖可知，相同幾何參數(shù)及來(lái)流速度情況下，叉排管壓降明顯大于順排，表明叉排阻力要大，這與叉排管內(nèi)流體的擾動(dòng)強(qiáng)于順排，順排管內(nèi)的速度、壓力分布更均勻的實(shí)驗(yàn)情況是相符的。明顯看出，隨著間距增大，兩排管中間區(qū)域流道變寬，速度、壓力變化較為平緩，分布更加均勻，利于流體流動(dòng)。這主要由于間距越小，流動(dòng)通道變小，流體受壁面粘性力越大，因而阻力增加。 雷諾數(shù)Re與Nu關(guān)系圖48 Re數(shù)與Nu 數(shù)關(guān)系圖由上圖48示ReNu關(guān)系看出，隨流速的增大，Nu與Re呈線性關(guān)系增加，換熱增強(qiáng)。對(duì)于收斂準(zhǔn)則設(shè)定，方程組殘差收斂控制條件為：動(dòng)量方程為110連續(xù)性方程為110能量方程為1107,并檢驗(yàn)流體進(jìn)出換熱單元的總體質(zhì)量平衡達(dá)1010量級(jí)。 FLUENT程序結(jié)構(gòu)FLUENT程序軟件包由以下幾個(gè)部分組成:(1) GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成；(2) FLUENT用于進(jìn)行流動(dòng)模擬的求解器；(3) prePoF由于模擬PDF燃燒過(guò)程；(4) Tgrid用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格；(5) Filters(Translators) 轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計(jì)算。計(jì)算結(jié)果一般通過(guò)圖表等方式顯示，這對(duì)檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計(jì)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(duì)微分方程中不同的項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)。由于擴(kuò)散項(xiàng)多是采用相當(dāng)于二階精度的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對(duì)流項(xiàng)上。在計(jì)算中，翅片和流體分別采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。（如圖23）圖23 計(jì)算區(qū)域選取示意圖另外，為了保證流體進(jìn)口處于充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)避免出流邊界回流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)口延長(zhǎng)1～2倍，出口延長(zhǎng)5～6倍，保證出口邊界沒(méi)有回流。作為其中的關(guān)鍵部件，換熱器的性能與效率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。(9) Sparrowe也對(duì)單排及雙排平直管換熱器進(jìn)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]。它可以通過(guò)比較各種型號(hào)的換熱器的換熱和流動(dòng)阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動(dòng)性能，對(duì)換熱器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。雖然翅片類(lèi)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(qiáng)化傳熱效果不如錯(cuò)齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡(jiǎn)單方便、 運(yùn)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。方法(5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力這兩者之間做一個(gè)較好的權(quán)衡，起到減阻強(qiáng)化傳熱的效果[3]。第五部分 結(jié)論學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）：畢業(yè)設(shè)計(jì)一份　　第4頁(yè)主要參考文獻(xiàn)（資料）：1. 李祥華，宋光強(qiáng)．幾種新型換熱器的特點(diǎn)及使用狀況對(duì)比[J]．化肥工業(yè)．2001，9(1)：7880．2. 劉衛(wèi)華．百葉窗型和波形管片式換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)．1996，9（2）：4953．3. 孟繼安．基于場(chǎng)協(xié)同理論的縱向渦強(qiáng)化換熱技術(shù)及其應(yīng)用[D]．北京：清華大學(xué)航天航空學(xué)院，2003，15．4. 陶文銓?zhuān)?jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：1991．47．5. 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要平直翅片管式換熱器作為熱力系統(tǒng)和制冷空調(diào)裝備中的一個(gè)重要部件，對(duì)其換熱性能的研究一直是科研人員熱衷的課題。假設(shè)流動(dòng)介質(zhì)為不可壓縮空氣，物性參數(shù)為常數(shù)，忽略重力影響，流動(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流且已進(jìn)入周期性充分發(fā)展段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占30%～40%；在制冷機(jī)組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機(jī)組總重量的30%～40%，動(dòng)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(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的70%左右[2]。在層流對(duì)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(duì)層流換熱所采取的強(qiáng)化措施是使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強(qiáng)化層流換熱。上述基本思想可以用圖15來(lái)表示。因?yàn)榻Y(jié)果的準(zhǔn)確度是由數(shù)學(xué)模型的精度和數(shù)值方法共同決定，因此數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法必須都具有良好的完善性，而且對(duì)于十分復(fù)雜的問(wèn)題，數(shù)值解目前也很難獲得。(4) 1991年，Seshimo and ，對(duì)21種平翅片形換熱器進(jìn)行了研究。(5) 2003年，何江海等[15]對(duì)整體式平直翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，～，并由計(jì)算結(jié)進(jìn)一步得出不同來(lái)流速度時(shí)的空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)與壓降的變化情況。在翅片管內(nèi)，管束繞流、管后漩渦是流體擾動(dòng)的主要特征，在漩渦區(qū)內(nèi)由于流體的緩慢流動(dòng)及主流體無(wú)法有效透過(guò)漩渦與壁面進(jìn)行熱交換，使該壁面處的換熱降到最低，同時(shí)循環(huán)漩渦增加了流動(dòng)阻力，但這種流體擾動(dòng)有時(shí)能夠引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定，促使流動(dòng)在較低Re的下自身擾動(dòng)增強(qiáng)，從而使換熱性能大大提高，改善換熱性能，但同時(shí)流動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)增加。K) 1進(jìn)口流速u(mài) / m(g該方法是一種直接將微分問(wèn)題變?yōu)榇鷶?shù)問(wèn)題的近似數(shù)值解法，數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。具體說(shuō)就是要建立反映問(wèn)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)。圖31 CFD軟件的一般組成結(jié)構(gòu) FLUENT軟件概述及GAMBIT簡(jiǎn)介，繼PHOENICS軟件之后第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限容積法的軟件。(2) 對(duì)于管子周?chē)敖崞攘鲃?dòng)參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密。由圖443看出，當(dāng)雷諾數(shù)Re較小時(shí)，流體緩慢的繞過(guò)管子不會(huì)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。計(jì)算表明：翅片間距對(duì)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(duì)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)。 管排數(shù)對(duì)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。 縱向間距對(duì)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(shì)，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(duì)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。(4) 對(duì)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。這里強(qiáng)化傳熱面的測(cè)評(píng)顯示傳熱性能提升了超過(guò)40%，同時(shí)還產(chǎn)生了一個(gè)更加均勻的流量分布。Li和Chen（2007年）利用紅外熱成像法對(duì)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。從結(jié)果中得出，一個(gè)經(jīng)過(guò)傳熱強(qiáng)化的面可以設(shè)計(jì)出來(lái)并可以適用于更寬泛的Re數(shù)范圍。Yu等人（2005年）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究來(lái)比較平直翅片表面的熱力性能。流體速度和溫度的瞬態(tài)測(cè)量已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。(3) 對(duì)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)。 縱向間距對(duì)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。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(huì)使靜壓增大，而另一方面由于壁面剪切力會(huì)使壓力降低。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。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(duì)于體劃分六面體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算容易收斂。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）。通過(guò)這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)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。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。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(lái)代替，以Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)等方法，把描寫(xiě)所研究的流動(dòng)與傳熱問(wèn)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。(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(zhǎng)度，S1。K) 1導(dǎo)熱系數(shù)λ/ W5. 對(duì)計(jì)算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進(jìn)行后處理，并對(duì)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)。多排管束縱、橫向間距對(duì)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(chǎng)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(chǎng)總體協(xié)同性越好。(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]。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。數(shù)值傳熱學(xué)（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱(chēng)計(jì)算傳熱學(xué)（Computational Heat Transfer，CHT）是指對(duì)描寫(xiě)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程采用數(shù)值方法通過(guò)計(jì)算機(jī)予以求解的一門(mén)傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。 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。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(wú)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(wèn)題。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(chǎng)與溫度場(chǎng)可用周期性的流動(dòng)與換熱模型進(jìn)行模擬，具體問(wèn)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(duì)稱(chēng)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(lái)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(lái)界定。因而，對(duì)其翅片管束通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的研究具有十分重要的意義。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(duì)設(shè)備體積、重量、投資及操作費(fèi)用進(jìn)行綜合平衡[4]。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)，