【正文】 從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。(3) 數(shù)據(jù)完整。[2] 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果人們?cè)谶M(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。后來， Torikoshi對(duì)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(chǎng)將處于層流狀態(tài)。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。（空氣物性參數(shù)如表21）；⑤ 對(duì)輻射換熱和重力影響忽略不計(jì)。 相關(guān)參數(shù)的確定(1) 當(dāng)量直徑： 本文當(dāng)量直徑取為翅片管外徑De= Do= 10mm(2) 雷諾數(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，Pa(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)。(3) 有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)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。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。首先，流動(dòng)問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)中只能接近而無法達(dá)到的理想條件。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)上述過程計(jì)算。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。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特性入手。 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。 橫向間距對(duì)壓降性能的影響圖429 不同橫向間距速度與壓降關(guān)系圖由上圖u△P關(guān)系看出，隨著管排橫向間距的增大，壓降略微降低，流動(dòng)阻力減弱，且隨著流速的增大，不同間距的壓降相差增加，但差別不大，說明在流速較?。≧e數(shù)范圍600～1700）時(shí)橫向間距對(duì)管排阻力特性影響不大。因此研究提高翅片管式換熱器換熱效率的方法，使換熱系統(tǒng)裝置尺寸減小、能耗降低、換熱增強(qiáng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。許多類的工業(yè)過程都涉及到熱能的轉(zhuǎn)移。這些因素將會(huì)為換熱器提供一個(gè)能夠強(qiáng)化傳熱；一個(gè)更加適應(yīng)流動(dòng)阻力；一個(gè)能夠提供更加均勻流量分布的設(shè)計(jì)方案。Sahin等人（2008年）實(shí)驗(yàn)性地研究了傳熱過程、摩擦系數(shù)和關(guān)于傳熱的各種設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，以及摩擦系數(shù)對(duì)在矩形通道內(nèi)裝配有圓形截面鰭角穿孔翅片換熱器的影響，同時(shí)也包括了增強(qiáng)換熱效率的相關(guān)程度。目前已有許多的實(shí)驗(yàn)來研究平行平板翅片的局部換熱。對(duì)熱量傳遞及流動(dòng)機(jī)理的理解提供了允許高效換熱器性能最大化的必要的知識(shí)。參考文獻(xiàn)1. 許偉，閔敬春．幾種典型翅片傳熱及阻力特性的數(shù)值研究與分析[D]．北京：清華大學(xué)，2005：24．2. 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)：7880．3. 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）：4953．4. 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，2003，15．5. 鹿世化．一種翅片管換熱器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)能動(dòng)學(xué)院，2007，25．6. 陶文銓．計(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：1991．47．7. 陶文銓．計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M]．北京：科學(xué)出版社：2000．68．8. 陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：2001．1518．9. 劉建，魏文建，丁國良．翅片管式換熱器換熱與壓降特性的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]．制冷學(xué)報(bào)．2003，(3)：2530．10. 陳楠，申江等．管翅式表冷器數(shù)值模擬與性能分析[J]．低溫與超導(dǎo)．2003，31 (2)：60 64．11. 徐百平，江楠等．平直翅片管翅式換熱器減阻強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬[J]．石油煉制與化工．2006，9(37)：4549．12. 康海軍，李嫵，李慧珍等．平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．1994，28(1)：9198．13. 柳飛，何國庚．多排數(shù)翅片管空冷器風(fēng)阻特性的數(shù)值模擬[J]．制冷與空調(diào)．2004，4(4)：3033．14. 宋富強(qiáng)，屈治國，何雅玲等．低速下空氣橫掠翅片管換熱規(guī)律的數(shù)值模擬[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)．2002，36(9)：899902．15. 何江海，陳蘊(yùn)光，徐正本等．風(fēng)冷式平直翅片管換熱器的數(shù)值分析[J]．制冷與空調(diào)．2003，3 (4)：2628．16. 傅明星．雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)性能的三維穩(wěn)態(tài)模擬[J]．西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)．2008，3(28)：537541．17. 馬挺，曾敏等．高溫下平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)．2010，31(9)：15701574．18. 屈治國，何雅玲，陶文銓．平直開縫翅片傳熱特性的三維數(shù)值模擬及場(chǎng)協(xié)同原理分析[J]．工程熱物理學(xué)報(bào)．2003，5(24)：826829．19. He Yaling，Zhang W，Tao Wenquan．Numerical simulation of heat t ransfer of air across finned tube banks．In：Proceedingsof t he 3rd International Symposium of Heat Transfer and Energy Conservation，Guangzhou：SCU T Press，2003．697702．20. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：24．21. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：1317．22. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：2426．23. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：164166．24. 王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2004：185188．致 謝作者在設(shè)計(jì)（論文）期間都是在陰繼翔教授全面、具體指導(dǎo)下完成進(jìn)行的。對(duì)比流線圖看出，順排管束前后兩排管的尾流區(qū)連接在一起，形成了管徑寬度的尾流通道，使管后滯止渦流的死區(qū)面積比叉排管要大，這對(duì)整體翅片管的換熱性能有不良影響。其中，橫向間距S2/、D為管道外徑10mm。當(dāng)Re數(shù)較小時(shí)，邊界層流動(dòng)對(duì)換熱起主要作用，此時(shí)翅片間距減小使上下翅片壁面的邊界層相互干擾，換熱增強(qiáng)。 壓力場(chǎng)分布圖47 由圖47可以看出，流體壓力沿流向逐漸降低，并且在管子周圍處，由于邊界層影響，壓力梯度最大，下降最快。由于本文計(jì)算受個(gè)人PC機(jī)計(jì)算資源的限制，故采用默認(rèn)的非耦合隱式算法求解，精度為單精度。GAMBIT這種網(wǎng)格的自適應(yīng)能力可以使網(wǎng)格的生成變得非常自由，并對(duì)于精確求解有較大梯度的流場(chǎng)有很實(shí)際的作用。這部分工作包括網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入，控制參數(shù)的設(shè)定等。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。(2) 空氣入口溫度為308K，采用均勻來流的速度入口(velocityinlet)，其中：u(x,y,z)|in=uin；v(x,y,z)|=0；w(x,y,z)|=0(3) 空氣出口采用自由方式流出，采用局部單向化(outflow)。該定律可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。由于幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和周期性，本文計(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。高溫?fù)Q熱器用平直翅片管的傳熱與阻力特性不同于常溫條件下的平直翅片管， 在熱力設(shè)計(jì)中平直翅片管常溫下的傳熱與阻力規(guī)律不能直接推廣到高溫環(huán)境。(8) 2000年，Wangel對(duì)18種不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的空氣側(cè)換熱特性進(jìn)行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對(duì)換熱特性的影響。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果[10]。而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展（處理器運(yùn)算速度的提高，硬件成本的下降），它在科學(xué)研究的重要性將越來越突出。圖11 翅片管式換熱器實(shí)物模型翅片的發(fā)展主要分為三個(gè)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。強(qiáng)化傳熱是實(shí)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(guān)注，各種行業(yè)對(duì)強(qiáng)化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)總可以達(dá)到下列目的[2]：(1) 減少初設(shè)計(jì)的傳熱面積和重量；(2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；(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(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗；(5) 提高換熱器的換熱器能力，同時(shí)使得增加的阻力不至于太大。第三部分 平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡(jiǎn)介該部分主要介紹了數(shù)值傳熱學(xué)理論及常用數(shù)值解法，并分析實(shí)驗(yàn)法、分析法和數(shù)值解法各自的優(yōu)勢(shì)；描述了CFD理論思想基本概況、利用GAMBIT對(duì)計(jì)算區(qū)域離散的方法及FLUENT數(shù)值算法的選取?？諝馕镄詤?shù)為：　　第2頁，管外壁面溫度恒定：。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(jìng)相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個(gè)重要課題。但由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無法實(shí)現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。與實(shí)驗(yàn)研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)[9]：圖15 工程物理問題數(shù)值計(jì)算的一般步驟(1) 經(jīng)濟(jì)性好。理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可以為檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。并提出了在工業(yè)常用Re數(shù)范圍內(nèi)的換熱和阻力性能通用關(guān)聯(lián)式。根據(jù)得到的換熱器通道內(nèi)的傳熱與阻力特性 ，提出了可以通過控制宏觀流場(chǎng)來減阻強(qiáng)化傳熱的思想。K)?？刂品匠倘缦拢?1) 連續(xù)性方程，又稱質(zhì)量方程，任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。(6) j換熱因子： 其中：Pr普朗特?cái)?shù)。其不足是離散方程的守恒特性難以保證，而最嚴(yán)重的缺點(diǎn)則是對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性差。而有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。(2) 尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法，即建立針對(duì)控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。FLUENT集成的前處理軟件GAMBIT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)各種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。(4) 對(duì)翅片區(qū)域全流場(chǎng)采用Cooper方法生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)控制在200000以內(nèi)。通道中部溫度漸變發(fā)展，并可以明顯看到管后方的尾流區(qū)，該區(qū)域溫度梯度較大。分析原因如下：平直翅片管翅片側(cè)的流動(dòng)情況十分復(fù)雜，流動(dòng)形式主要是邊界層流動(dòng)和漩渦流。 管排數(shù)對(duì)壓降特性的影響圖421 不同管排流道內(nèi)速度與壓降關(guān)系圖由上圖明顯看出，隨著流動(dòng)方向管排數(shù)的增加，空氣進(jìn)出口壓降呈指數(shù)增大，且流速較小時(shí)，不同管排數(shù)壓降相差較小，隨著流速的增加，不同管排的空氣側(cè)阻力相差也變大。 管排方式對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響本小節(jié)針對(duì)雙排翅片管不同管排方式，即順排和叉排，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模擬其流場(chǎng)的溫度、壓力分布，并計(jì)算分析其在換熱與阻力性能的差異。(6) 對(duì)于管排縱向間距，縱向間距越大，換熱系數(shù)h略有下降，但在本研究范圍內(nèi)影響不大。高效換熱器的發(fā)展需要更高效率的技術(shù)來交換存在于擴(kuò)展表面和環(huán)境流體之間的大量的熱。Molki 和HashemiEsfahanian（1992年）討論了折流擋板內(nèi)邊界附近強(qiáng)化傳熱的方法。這包括：(1) 評(píng)價(jià)材料成分對(duì)換熱面的設(shè)計(jì)（包括傳熱和流動(dòng)分布）的影響；(2) 評(píng)價(jià)表面粗糙度對(duì)換熱面設(shè)計(jì)的影響；(3) 評(píng)價(jià)百葉窗式表面或開孔