【導(dǎo)讀】了解翅片管換熱與阻力性能研究進程及國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀；了解用數(shù)值方法研究翅片管換熱問題的優(yōu)越性并掌握數(shù)值解法的基本原理；對實驗數(shù)據(jù)后處理分析的基本方法；初步培養(yǎng)嚴謹?shù)目蒲兴刭|(zhì)和獨立工作的能力。平直翅片管式換熱器在空調(diào)制冷、電子器件散熱設(shè)備中最為常見。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。所以，本文僅取一個單元周期區(qū)域研究即可。進入周期性充分發(fā)展段。翅片管基本尺寸保持翅片厚度為，管徑10cm，翅片。間距為，管排縱向間距為22mm，橫向間距為16mm?？諝馕镄詤?shù)為：。型計算定解條件的確定。利用GAMBIT對計算區(qū)域離散的方法及FLUENT數(shù)值算法的選取。能的研究一直是科研人員熱衷的課題。進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。

　　

【正文】 PDF 燃燒過程； (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 計算。 利用 FLUENT 的求解步驟 在使用 FLUENT 前，應(yīng)針對所要求解的物理問題，制訂比較詳細的求解方案，應(yīng)先考慮幾個主要因素，包括決定 CFD 模型目標、選擇物理模型和計算模型、決定求解過程。然后根據(jù)以下步驟進行求解計算： (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 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) 選擇求解器及運行環(huán)境； (6) 決定計算模型，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)測參量并初始化流場； (11) 開始求解計算； (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)格或計算模型，然后重復(fù)上述過程計算。 24 平直翅片管基于 FLUENT 數(shù)值模擬 計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分 數(shù)值模擬首先就要對計算區(qū)域進行離散化，即 網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對仿真的精度及計算效率有重要的影響。為了簡化計算，本文由于幾何模型的對稱性，只取流動通道的一半來研究，這樣大大減少離散單元數(shù)目，節(jié)省計算所需內(nèi)存和計算時間。 本文采用 GAMBIT 軟件來建立幾何模型，并進行網(wǎng)格生成。因為網(wǎng)格的正交性越好，計算越準確，越易收斂，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，網(wǎng)格生成的速度較快，質(zhì)量較好，同時對于體劃分六面體結(jié)構(gòu)簡單，計算容易收斂。鑒于平直翅片管通道流動的復(fù)雜性，本文在劃分時大都為六面體網(wǎng) 格，并采用分塊劃分和邊界層加密等方法進行局部加密，具體劃分如下（圖 32， 33， 34）： (1) 對于進出口延長區(qū)，由于是規(guī)則的矩形通道，采用 Map 方法劃分規(guī)則的結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格，節(jié)點間距為 。 (2) 對于管子周圍及近翅片等流動參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密，最小間距為 ，最大間距為 。 (3) 對于翅片區(qū)域，由于幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，采用 MapPave/Tri 生成混雜網(wǎng)格來適應(yīng)管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量，最小間距為 。 (4) 對翅片區(qū)域全流場采用 Cooper 方法生成六 面體網(wǎng)格，節(jié)點 size 取 ，網(wǎng)格單元數(shù)控制在 202000 以內(nèi)。 25 求解器的選擇 FLUENT 在求解器算法上有四種選擇：即非耦合顯式、耦合顯式、非耦合隱式和耦合隱式。通常隱式算法的計算收斂速度是顯式的 2 倍，而需要的內(nèi)存也需相應(yīng)增加 1倍；非耦合算法比耦合算法需要的內(nèi)存少，并且求解過程中靈活性好，但求解精度較低，但非耦合求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動。由于本文計算受個人 PC 機計算資源的限制，故采用默認的非耦合隱式算法求解，精度為單精度。 控制方程的離散及收斂標準 本 文研究為不可壓縮空氣穩(wěn)態(tài)的層流流動，對于控制方程的離散：連續(xù)性方程采用Standard 格式，動量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)差分格式（ Second Order Upwind），圖 32 網(wǎng)格劃分示意圖 圖 33 翅片表面部分網(wǎng)格劃分 圖 34 近翅片區(qū)域采用邊界層加密 26 并選擇標準的 Simple 算法求解壓力 速度耦合問題。 對于收斂準則設(shè)定，方程組殘差收斂控制條件為：動量方程為 1 10連續(xù)性方程為 1 10能量方程為 1 107,并檢驗流體進出換熱單元的總體質(zhì)量平衡達 1010 量級。給定不同的進口速度 (～ m/s)，在 PC 機上借助 FLUENT 軟件 ,分別計算分析傳熱及阻力。 27 第 四章 平直翅片管數(shù)值計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 本章的主要內(nèi)容是顯示借助 FLUENT 軟件對平直翅片管模型進行數(shù)值模擬的計算結(jié)果，給出流場、溫度場及速度場的分布云圖，并計算努賽爾數(shù) Nu、阻力系數(shù) f。然后分析雷諾數(shù) Re、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對換熱系數(shù) h、流動壓降△ P 的影響，得出結(jié)論。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 本節(jié)針對單排平直翅片管，通過改變進口來流速度來變化雷諾數(shù)的大小，分析不同雷諾數(shù)下平直翅片管的換熱與阻力特性。實驗速度范圍為 m/s、 m/s、 m/s、 m/s、 ，對應(yīng)雷諾數(shù)變化范圍約 1000～ 2450。 28 速度場分布 如上圖 41 為入口速度 ，明顯看出由于流動受到管子的阻礙，流動截面縮小，使流速增加。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。在管子的前額處，流體受管子阻礙而滯止，速度降為零。 由圖 4 43 看出，當雷諾數(shù) Re 較小時，流體緩慢的繞過管子不會發(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。 圖 41 入口速度為 圖 42 入口速度為 29 溫度場分布 圖 4 46 為平直翅片管通道內(nèi)流動空氣的溫度分布，從翅片間距中剖面的溫度分布可以看出，由于管子迎風(fēng)側(cè)流動滯止及背風(fēng)面脫體漩渦的存在，使空氣流速緩慢，而在管子后部因邊界層脫離而形成的尾流區(qū)，存在穩(wěn)定的漩渦，部分空氣無法被主流帶走，被加熱到與翅片溫度基本相同，導(dǎo)致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。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。同時出口溫度隨流速的增大而減小。圖 44 為由耦合求解得到的翅片表面溫度分布，可以看出壁面溫度保持在 318K，基本維持恒壁溫。 圖 44 翅片表面溫度分布 圖 45 入口速度為 30 壓力場分布 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。而在管后壓力變化平坦。 雷諾數(shù) Re 與 Nu 關(guān)系 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。同時，由速度場和溫度場可以看出，由于管子前額邊界層較薄，熱阻較小，且溫度梯度大，故平直翅片管換熱主要集中在管道的迎風(fēng)面，翅片的前緣效應(yīng)使得傳熱得到強化。而管后渦流區(qū)流動滯止，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 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圖 47 入口速度為 圖 48 Re 數(shù)與 Nu 數(shù)關(guān)系圖 31 特性入手。 雷諾數(shù) Re 與阻力系數(shù) f 關(guān)系 隨著流速的增加，流動通道內(nèi)的平均速度梯度也會增大，流體的粘性力也會增大，故流動阻力隨流速增加而增加。由上圖 Ref 關(guān)系看出，隨 Re 增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。 雷諾數(shù) Re 與綜合性能指數(shù) j/f 的關(guān)系 由上圖可以看出，在研究范圍內(nèi)，綜合性能指數(shù) j/f隨雷諾數(shù)的增大而逐漸降低的，表明隨著流速的增加，空氣流動的換熱增強，同時流動阻力也增大，但換熱性能增加的要大，翅片管流動與換熱的綜合性 能變好。 圖 49 Re 數(shù)與阻力系數(shù) f 關(guān)系圖 圖 410 Re 數(shù)與綜合性能指數(shù) j/f 關(guān)系圖 32 翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 本節(jié)研究對象為單排平直翅片管，通過改變翅片間距來分析不同雷諾數(shù)下翅片間距對翅片管換熱與阻力特性的影響。實驗速度變化范圍為 m/s、 m/s、 m/s、 m/s，翅片間距取 ， ， 。 翅片間距對換熱性能的影響 上圖顯示出不同翅片間距下，總換熱系數(shù) h 隨來流速度 u 的變化關(guān)系。計算表明：翅片間距對換熱性能的影響與雷諾數(shù)有關(guān)，當空氣進口速度 u（對應(yīng) Re 數(shù)在1550～ 1800 范圍）時，隨翅片間距 的增加，換熱能力是逐漸降低的；當 u（ Re1550～ 1800 范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強。這種變化特性與翅片間的流動情況有關(guān)。 分析原因如下：平直翅片管翅片側(cè)的流動情況十分復(fù)雜，流動形式主要是邊界層流動和漩渦流。在 Re 較大時，漩渦流對換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強化換熱作用越大，而翅片間距的大小主要反映在翅片對漩渦流的抑制作用的程度。間距越小，渦流運動空間就越小，受壁面粘性阻力影響，速度減小越快，換熱減弱，故 Re 較大時，翅片間距越大，換熱性能越好。 當 Re 數(shù)較小時，邊界層流動對換熱 起主要作用，此時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。 圖 411 不同翅片間距下 u 與 h 關(guān)系圖 33 翅片間距對壓降特性的影響 圖 412 顯示出不同間距下，空氣進出口壓降與來流速度 u 的關(guān)系，明顯看出：隨翅片間距的減小，流動壓降逐漸增大，且隨著雷諾數(shù)的增大，流動阻力增加的幅度也在增加。這主要由于間距越小，流動通道變小，流體受壁面粘性力越大，因而阻力增加。從圖 413 看出，在相同雷諾數(shù) Re 下，翅片間距越小，阻力系數(shù)越大，尤其是在低雷諾數(shù)下，翅片間距對摩擦系數(shù)的影響較大，隨著雷諾數(shù)的增大，摩擦系數(shù)下降幅度減小。 管排數(shù)對平直翅片 管換熱與壓降特性的影響 本節(jié)對不同管排數(shù)的翅片管束進行數(shù)值模擬，分析其對換熱與阻力特性的影響。排數(shù)取為 4 排。 多排管束的流場分布 圖 412 不同翅片間距下速度與壓降關(guān)系圖 圖 413 不同翅片間距下 Re 與 f 關(guān)系圖 圖 414 2 排管流道溫度分布圖 圖 415 2 排管流道壓力分布圖 34 上圖中分別給出 2 排、 4 排叉排管束模擬流動的溫度場、速度場和壓力場。其中，由圖 417 看出，每排管后都存在明顯的渦流，且該區(qū)域溫度很高。由圖 416 和圖 419的速度分布看出，最大速度梯度都分布在每排管子的前緣，且對于 2 排管，最大流速在第二排管處，對于 4 排管，最大流速在第四排管處。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：一方面流速降低會使靜壓增大，而另一方面由于壁面剪切力會使壓力降低。同時， 4 排的出口壓力明顯低于 2 排管。 管排數(shù)對換熱特性的影響 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。 分析原因，在雷諾數(shù)較小的范圍內(nèi)，流體流經(jīng)第一排管子時，由于開始邊界層較薄，圖 416 2 排管內(nèi)速度分布圖 圖 417 2 排管內(nèi)流線圖 圖 418 4 排管流道內(nèi)壓力分 布圖 圖 419 4 排管流道內(nèi)速度分布圖 圖 420 不同管排流道內(nèi) uh 關(guān)系圖 35 換熱較強，但隨邊界層的發(fā)展很快下降，隨后發(fā)生繞流脫體使換熱再次增加，而管后的尾跡區(qū)換熱很差，隨著流動向下發(fā)展，漩渦流繼續(xù)向下游運動到達第二排管時，再次因前緣效應(yīng)而換 熱增強，并發(fā)生第二次繞流脫體，但由于尾跡區(qū)速度較小，導(dǎo)致第二排管的換熱要弱于前排管束，因而總體換熱性能，單排管要優(yōu)于雙排。 管排數(shù)對壓降特性的影響 由上圖明顯看出，隨著流動方向管排數(shù)的增加，空氣進出口壓降呈指數(shù)增大，且流速較小時，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。 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 管排間距直接影響了流體通道內(nèi)溫度場和速度場分布，對換熱與阻力特性有重要影響，合理布置管排能更好地協(xié)調(diào)速度場與溫度場的協(xié)同性，提高換熱器流動與化熱綜合性能。 本節(jié)針對不同橫向間距的翅片管，來分析其對換熱與阻力性能的影響。其中，橫向間距 S2/D 分別取 、 和 ， D 為管道外徑 10mm。 圖 421 不同管排流道內(nèi)速度與壓降關(guān)系圖 36 不同橫向間距的管排內(nèi)流場分布 以上為翅片管橫向間距 /管徑分別為 、 ，進口速度為 、壓力、速度場分布圖。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。 圖 422 橫向間距 時溫度分布圖 圖 423 橫向間距 時溫度分布圖 圖 424 橫向間距 時速度分布圖 圖 425 橫向間距 時速度分布圖 圖 426 橫向間距 壓力分布圖 圖 427 橫向間距 時壓力分布圖 37 橫向間距對換熱性能的影響 由上圖 uh 關(guān)系看出，管排橫向間距對翅片管的 換熱性能有較大影響，隨著橫向間距的增大，換熱系數(shù)減小，換熱能力下降，說明間距越小換熱性能越好，這主要由于當間距增加時，管子之間的流道變寬，流動更加順暢，使尾跡區(qū)擾動減弱，換熱減弱。 橫向間距對壓降性能的影響 由上圖