【文章內(nèi)容簡介】 在換熱系數(shù)和流動阻力這兩者之間做一個較好的權(quán)衡，起到減阻強化傳熱的效果 [3]。不同的強化傳熱技術(shù)可滿足不同的要求，如減少初次傳熱面積以減小換熱器的體積和重量，或提高換熱器的換熱能力，或增大換熱溫差，或減少換熱器的動力消耗。這幾個目的不可能同時滿足，因為它們是相互制約的，在選擇某一種強化技術(shù)前，必須 先根據(jù)其具體任務(wù)，對設(shè)備體積、重量、投資及操作費用進(jìn)行綜合平衡 [4]。 現(xiàn)在，對傳統(tǒng)換熱器設(shè)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(shè)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。具體說來，就是用各種異型管取代原來的光管，現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋（螺紋管）、橫槽紋管、波紋管、內(nèi)翅管及管內(nèi)插入強化物質(zhì)；三是換熱設(shè)備的強化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說按照能量的品味逐級利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實 現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。無論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來強化傳熱技術(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，例如換熱管的加工制作工藝過于復(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，換熱能力增強的同時，阻力也相對增大許多，從而造成運行成本的提高等。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(jìn)，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]。 翅片管換熱器強化傳熱技術(shù) 在強化傳熱方法研究中，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。對流換熱強化技術(shù)在氣體側(cè)的應(yīng)用要綜合考慮許多因素：首先要確定流體的流態(tài)，即層流或湍流。在層流對流換熱情況下，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，因此對層流換熱所采取的強化措施是使流體產(chǎn)生強烈的 3 徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場、溫度場趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強化層流換熱。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，增強換熱能力 [6]。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現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。所以，此時采用增強流體擾動，提高換熱系數(shù)的方法對空氣側(cè)換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應(yīng)該是擴大換熱面積。 采用附加表面來增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場的分布就是強化空氣側(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的。 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。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化。雖然翅片類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，平直翅片的強化傳熱效果不如錯齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡單方便、 運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。平直翅片管（圖 14）換熱器具有良好的傳熱性能和低阻力性能，其在制冷、空調(diào)、化工、電子微器件散熱（如 CPU 熱管式散熱器 圖 11 翅片管式換熱器實物模型 4 圖 12 和 13）等多個工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用 [7]。采用平直翅片加強傳熱的機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烈的紊動，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。 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(cè)的熱阻比為 2∶ 1∶ 7[5]?？梢姽芡獬崞膿Q熱仍然是制約換熱器效能的主要因素，因此，強化空氣側(cè)的換熱成了管翅式換熱器強化傳熱的重要問題。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，而且對改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計型式，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。 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(shù)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(xué)和傳熱學(xué)中的各種各樣的問題。 圖 12 忍者 I 代塔式穿 fin 散熱器 圖 13 10 熱管穿 finCPU散熱器 圖 14 平直翅片管模型 5 數(shù)值傳熱學(xué)（ Numerical Heat Transfer， NHT）又稱計算傳熱學(xué)（ Computational Heat Transfer， CHT）是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù) 值方法通過計算機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。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點， node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程， discretization equation），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值 [8]。上述基本思想可以用圖 15 來表示。 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 實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，計算傳熱學(xué)與計算流體動力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。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(jìn)行數(shù)值模擬。與實驗研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點 [9]： 圖 15 工程物理問題數(shù)值計算的一般步驟 6 (1) 經(jīng)濟性好。運用計算機的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測的最重要優(yōu)點是它的成本低。在大多數(shù)實際應(yīng)用中，計算機運算的成本要比相應(yīng)的實驗研究的成本低好幾個數(shù)量級。而且隨著計算機工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展（處理器運算速度的提高，硬件成本的下降），它在科學(xué)研究的重要性 將越來越突出。 (2) 研究周期短。用計算機進(jìn)行計算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。一個設(shè)計者能夠在一天之內(nèi)研究出多種方案，并從中選擇最佳的設(shè)計，而相應(yīng)的實驗研究卻需要很長的時間。 (3) 數(shù)據(jù)完整。對一個問題進(jìn)行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。它能夠提供在整個計算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。與實驗的情況不同，在計算中幾乎沒有不能達(dá)到的位置。 (4) 具有模擬理想條件的能力。人們有時為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動充分發(fā)展等等，在 數(shù)值計算中很容易實現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實驗中卻很難近似到這種理想化的條件。 數(shù)值計算方法的這些優(yōu)點使人們熱衷于計算機的分析，但是它也有一些局限性。因為結(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)模型和計算方法必須都具有良好的完善性，而且對于十分復(fù)雜的問題，數(shù)值解目前也很難獲得。雖然在某些研究領(lǐng)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(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)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。 理論分析方法的優(yōu)點在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清 晰可見，可以為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)。但是，它往往要求對計算對象進(jìn)行抽象和簡化，才有可能得出理論解。 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(jié)果是真實可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，一方面補充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗數(shù)據(jù)庫，另一方面為工程設(shè)計人員提供新的技術(shù)支持，同時還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比來改進(jìn)試驗設(shè)計，因而其重要性不容低估。然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過實驗 方法得到結(jié)果 [10]。 而數(shù)值求解 (CFD)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點，在計算機上實現(xiàn)了一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。它可以通過比較各種型號的換熱器的換 7 熱和流動阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗設(shè)計參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動性能，對換熱器的開發(fā)和設(shè)計有指導(dǎo)作用。 總之，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天的階段，把實驗測定、理論分析與數(shù)值模擬這三種研究手段有機而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來，是研究流動與傳熱問題的理想而有效的方法。 [2] 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 人們在進(jìn)行強化翅片表面換熱的 研究中，提出了各種強化換熱的方法。總的來說有以下的幾種方法：一是減小換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸，采用小管徑換熱管代替大管徑換熱管，同時減小管排橫向間距及縱向間距。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢，從以前的 ， 到現(xiàn)在的 ；二是增強空氣側(cè)的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達(dá)到強化換熱的目的，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)到強化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。以下就國內(nèi)外對這幾種強化方式下的翅片類型的實驗研究進(jìn)展作概述介紹，如表 1 所示： 8 平直翅片管實驗研究進(jìn)展及成果 (1) 早在 1971 年， Rich 就對管徑為 ，管排間距為 和管列間距為 的 16 種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明翅片間距對換 9 熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對