【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具有良好的完善性，而且對(duì)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(jì)算幾乎已取代了實(shí)驗(yàn)研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值計(jì)算這三種研究手段則是相輔相成、互為補(bǔ)充的。 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)。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。 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是研究流動(dòng)與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，一方面補(bǔ)充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，另一方 面為工程設(shè)計(jì)人員提供新的技術(shù)支持，同時(shí)還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因而其重要性不容低估。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]。 而數(shù)值求解 (CFD)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)。它可以通過比較各種型號(hào)的換熱器的換 7 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)換熱器的開發(fā)和設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論分析與數(shù)值模擬這三種研究手段有機(jī)而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來，是研究流動(dòng)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?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?？偟膩碚f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(shí)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(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，可通過不斷改變氣流來流 方向，來達(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。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(guó)內(nèi)外對(duì)這幾種強(qiáng)化方式下的翅片類型的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展作概述介紹，如表 1 所示： 8 平直翅片管實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及成果 (1) 早在 1971 年， Rich 就對(duì)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(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明翅片間距對(duì)換 9 熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對(duì)的空氣壓降幾乎沒有影響 [11]。 (2) 1978 年， McQuiston 發(fā)表了第一個(gè)基于五種結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距 、管外徑為 、管排間距為 22mm、管列間距為 、管排數(shù)為 4）的平翅片換熱及壓降通用關(guān)聯(lián)式 [11]。 (3) 1986 年， Gray 和 Webb 又提出了管排數(shù)大于 4 排的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其關(guān)聯(lián)式能較好地預(yù)測(cè)大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性 和壓降特性 [11]。 (4) 1991 年， Seshimo and Fujii 在迎面風(fēng)速為 ，對(duì) 21 種平翅片形換熱器進(jìn)行了研究。 (5) 1994 年，康海軍 [12]等對(duì)平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對(duì) 9 種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)片距對(duì)傳熱的影響依賴于臨界 Re 數(shù)，對(duì)于層流來講，片間距的增加會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱的下降 ，而對(duì)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。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。 (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。 (7) 1996 年以來， Wangel一直致力于翅片管的研究，對(duì)平翅片換熱器也做了大量的研究，同時(shí)針對(duì)翅片換熱器的發(fā)展形式，對(duì)小管徑和小結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行了研究，得出大量十分有價(jià)值的研究成果。 (8) 20xx 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。指出在不同的雷諾數(shù)下，空氣側(cè)的換熱特性與翅片間距、 管排數(shù)和換熱管管徑有十分重要的關(guān)系 [11]。 (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]。 平直翅片管數(shù)值研究進(jìn)展及成果 (1) Saboya 在研究此問題時(shí)指出，邊界層的發(fā)展是制約單排管換熱特性的重要因素。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)。 10 (2) Ricardo 也對(duì)板間的流體行為進(jìn)行了 3D 模擬。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。 (3) 宋富強(qiáng)對(duì)不同風(fēng)速下的傳熱機(jī)理進(jìn)行場(chǎng)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(shí)，全場(chǎng)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(fēng)側(cè)的換熱強(qiáng)度較差。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，風(fēng)速為 ～ ，對(duì)流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線性增長(zhǎng)。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。 (4) 20xx 年，西安交通大學(xué)宋富強(qiáng)，屈治國(guó) [14]等對(duì)翅片管散熱器進(jìn)行了低速下流動(dòng)和換熱的數(shù)值模擬，得到了流速與換熱系數(shù)的關(guān)系，以及不同流速下翅片管流動(dòng)與換熱的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和速度與溫度梯度的夾角場(chǎng)，并首次利用場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)行了分析 9結(jié)果表明：當(dāng)流速很低時(shí)，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場(chǎng)的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場(chǎng)的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。 (5) 20xx 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，得到了氣流速分別為 ～ ，并由計(jì)算結(jié)進(jìn)一步得出不同來流速度時(shí)的空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)與壓降的變化情況。 (6) 20xx 年，徐百平等 [11]對(duì)換熱器內(nèi)的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。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。 (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。 (8) 20xx 年，馬挺、曾 敏 [17]等數(shù)值模擬方法對(duì)平直翅片管燃?xì)鈧?cè)在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明：燃?xì)膺M(jìn)口溫度對(duì) Nu數(shù)影響較大，溫差對(duì)阻力系數(shù) f 影響較大，輻射對(duì) Nu數(shù)影響較大，對(duì)阻力系數(shù) f 影響很小。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。 11 本文的主要研究?jī)?nèi)容 綜上所述，影響翅片的換熱及阻力特性因素眾多，翅片管式換熱器在制冷與空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。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。針對(duì)上述課題的意義、翅片管式換熱器的換熱特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方面發(fā)展?fàn)顩r的分析，本課題應(yīng)用 商業(yè)軟件對(duì)平直翅片管式換熱器在充分發(fā)展流動(dòng)情況下的傳熱性能和流動(dòng)阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出平直翅片管式換熱器管排橫縱向間距、翅片間距、管排數(shù)和 Re 數(shù)等因素對(duì)換熱與阻力特性的影響，以此為工業(yè)上平直翅片表面換熱設(shè)備的選擇提供參考依據(jù)。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(zhǎng)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。 2. 根據(jù)空調(diào)設(shè)備中常見的整體式平直翅片管尺寸結(jié)構(gòu)選取幾何模型，并使用GAMBIT 軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域全流場(chǎng)及翅片內(nèi)部導(dǎo)熱區(qū)域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，管子周圍及流體近翅片區(qū)域采用邊界層加密處理。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。 3. 根據(jù)有限容積法的二階迎風(fēng)格式（ Second Order Upwind）對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，對(duì)離散后的控制方程設(shè)置邊界條件和初始條件，并采用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于翅片表面溫度分布，采用翅片 導(dǎo)熱與流體對(duì)流換熱耦合求解。 4. 數(shù)值計(jì)算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動(dòng)阻力，模擬得出流場(chǎng)各參數(shù)分布，分析來流速度及管排數(shù)、管間距、翅片間距等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與努賽爾數(shù) Nu和流動(dòng)壓降△ P 的關(guān)系，并得出其對(duì)平直翅片管換熱因子 j、阻力系數(shù) f 及綜合性能參數(shù) j/f 的影響。 5. 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)。 12 第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過程的描述 流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結(jié)構(gòu)的存在及管外流道的周期性變化特性使得流體在沿流向呈周期性變截面通道中流動(dòng)時(shí)，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進(jìn)入充分發(fā)展段，流動(dòng)與換熱具有周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動(dòng)與換熱。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)及主流體無法有效透過漩渦與壁面進(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。 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(jì)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(chǔ)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(dǎo)熱系數(shù)為 W/ (m K)?；境叽缛缦拢汗茏又睆?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= 。幾何結(jié)構(gòu)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(jì)算區(qū)域的選取 在實(shí) 際模擬計(jì)算中受到計(jì)算機(jī)軟硬件的限制和從計(jì)算效率方面的考慮，不對(duì)完整的換熱器建立計(jì)算模型，而對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。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。這樣可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。（如圖 23） 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，保證出口邊界沒有回流。（如圖 24） 圖 23 計(jì)算區(qū)域選取示意圖 圖 24 平直翅片管式換熱器單元結(jié)構(gòu) 14 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè) 基本簡(jiǎn)化假設(shè)與定解條件 ① 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認(rèn)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 318 K，翅片表面溫度分布由翅片導(dǎo)熱及其與空氣對(duì)流換熱耦合求解得到； ② 空氣進(jìn)口溫度為 308 K； ③ 由于空氣在換熱器內(nèi)流速不高及翅片間隙很小，假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)定的層流； ④ 由于流動(dòng)過程中空氣的溫度變化不大，取空氣為常物性。（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)。 表 21 空氣物性參數(shù)（常物性） 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 密度ρ / kgm 3 粘度μ / Pa s 10 5 比熱 Cp/ J (g K) 1 導(dǎo)熱系數(shù)λ / W (m K) 1 進(jìn)口流速 u / m s1 ～ 基本控制方程 本文計(jì)算為三維流動(dòng)，假設(shè)空氣流動(dòng)是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由于進(jìn)口延長(zhǎng)區(qū)的存在，認(rèn)為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱已進(jìn)入周期性的充分發(fā)展階段?？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。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。對(duì)于本文研究問題可簡(jiǎn)化為： 15 0????????? zyxu ?? (2) 動(dòng)量方程，也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。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。表示如下： (3) 能量方程，是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入 微元