【正文】 CFD這一始于本世紀三十年代到如今的計算機模擬技術，集流體力學、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學于一身，已經(jīng)在各個工業(yè)領域得到廣泛的應用。故有限容積法是 CFD 進行數(shù)值計算采用最多一種方法，其中最普及的 Fluent 軟件就是其中之一。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值 函數(shù)；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數(shù)。有限差分法只考慮網(wǎng)格點上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點之間如何變化。 就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。 除以上三種數(shù)值計算方法外，還有有限分析法等 [8]。 有限元方法最早應用于結構力學，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學的數(shù)值模擬。 (3) 有限元法 (FiniteElementMethod， FEM) 有限元方法的基礎是變 分原理和加權余量法，其基本求解思想是把計算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。由于擴散項多是采用相當于二階精度 19 的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對流項上。其中的 未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。 (2) 有限容積法 (Finite Volume Method， FVM) 有限容積法又稱為控制體積法。 在規(guī)則區(qū)域的結構化網(wǎng)格上，有限差分法是十分簡便而有效的，而且很容易引入對流項的高階格式。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。目前，根據(jù)對控制方程離散方式的不同，對流換熱問題應用研究中所涉及到的常用的數(shù)值計算方法主要有以下幾種 [6]： (1) 有限差分法 (Finite Difference Method， FDM) 有限差分法是求取偏微分方程數(shù)值解的最古老的方法，對簡單幾何形狀中的流動與傳熱問題也是一種最容易實施的方法。 (7) 對于 Y 方向上的空氣流道和進出口延長區(qū)均采用對稱絕熱邊界條件 。 (5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認為絕熱條件 (Heatflux 為 0)。在計算中，翅片和流體分別采用各自的導熱系數(shù)。 (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)。 物理模型的邊界條件及初始條件 為保證無回流，在空氣流動的方向上，入口、出口做適當延長。 K) 1； Tin， Tout空氣進出口平均溫度， K A翅片與管壁總換熱面積， m2； △ tm對數(shù)平均溫差， K； )ln ()()(outbinboutbinbmttttttttt??????? Tb翅片壁面平均溫度， K。 (5) 換熱系數(shù)： mtAh ??? 其中：Φ 翅片與空氣總換熱量， w/m3； )( ino u tpm ttCq ??? qm質(zhì)量流量， Kg/s； Cp空氣比熱容， Jm) 。 16 (3) 努塞爾數(shù)： ?ehDNu? 其中： h空氣對流換熱系數(shù)， W/(K 相關參數(shù)的確定 (1) 當量直徑： 本文當量直徑取為翅片管外徑 De= Do= 10mm (2) 雷諾數(shù)： ?? ma xRe Deu? 其中： ? 空氣密度， kg/m3； De當量直徑， m； Umax流道最小截面空氣流速， m/s； ? 空氣粘度， Pa該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。該定律可表述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。 s1 ～ 基本控制方程 本文計算為三維流動，假設空氣流動是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動，由于進口延長區(qū)的存在，認為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動與換熱已進入周期性的充分發(fā)展階段。 (m (gm 3 粘度μ / Pa（空氣物性參數(shù)如表21）； ⑤ 對輻射換熱和重力影響忽略不計。（如圖 23） 另外，為了保證流體進口處于充分發(fā)展流動狀態(tài)，同時避免出流邊界回流對計算結果的影響，將計算區(qū)域進口延長 1～ 2 倍，出口延長 5～ 6 倍，保證出口邊界沒有回流。由于幾何結構的對稱性和周期性，本文計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的 一半來進行，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?；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= 。 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，導熱系數(shù)為 W/ (m 12 第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析 平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述 流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結構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時，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進入充分發(fā)展段，流動與換熱具有 周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動與換熱。 4. 數(shù)值計算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動阻力，模擬得出流場各參數(shù)分布，分析來流速度及管排數(shù)、管間距、翅片間距等幾何結構參數(shù)與努賽爾數(shù) Nu和流 動壓降△ P 的關系，并得出其對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。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。具體內(nèi)容如下： 1. 假定流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動，翅片管管壁面溫度恒定，且認為流動與換熱在經(jīng)過進口延長區(qū)后均已進入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個周期中的流動與換熱控制方程數(shù)學模型。作為其中的關鍵部件，換熱器的性能與效率對于整個系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。高溫換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， 在熱力設計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。 (7) 2020 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 對雙排平直翅片管換熱器換熱和流動特性的影響，研究成果豐富。 (6) 2020 年，徐百平等 [11]對換熱器內(nèi)的流動與傳熱進行了數(shù)值模擬研究。 (4) 2020 年，西安交通大學宋富強，屈治國 [14]等對翅片管散熱器進行了低速下流動和換熱的數(shù)值模擬 ，得到了流速與換熱系數(shù)的關系，以及不同流速下翅片管流動與換熱的溫度場、速度場和速度與溫度梯度的夾角場，并首次利用場協(xié)同原理進行了分析 9結果表明：當流速很低時，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，風速為 ～ ，對流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線性增長。同時借助可視化實驗技術，揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。后來， Torikoshi 對板間通道進行了 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”抑制，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。 (9) Sparrowe 也對單排及雙排平直管換熱器進行了研究，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]。 (8) 2020 年， Wangel對 18 種不同結構的翅片管換熱器的空氣側換熱特性進行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對換熱特性的影響。 (6) 1996 年，何國庚 [13]等分別對 16 排、 26 排和 32 排的平翅片空氣冷卻器進行了實驗，指出風速對風側阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時，風速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風速的影響也趨向穩(wěn)定。 (5) 1994 年，康海軍 [12]等對平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對 9 種不同結構的平翅片換熱器進行了實驗，發(fā)現(xiàn)片距對傳熱的影響依賴于臨界 Re 數(shù)，對于層流來講，片間距的增加會導致?lián)Q熱的下降 ，而對于阻力而言，片間距越大，阻力越小，且兩排管的性能優(yōu)于三、四排管。 (3) 1986 年， Gray 和 Webb 又提出了管排數(shù)大于 4 排的實驗關聯(lián)式，其關聯(lián)式能較好地預測大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性和壓降特性 [11]。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展作概述介紹，如表 1 所示： 8 平直翅片管實驗研究進展及成果 (1) 早在 1971 年， Rich 就對管徑為 ，管排間距為 和管列間距為 的 16 種不同結構的平翅片換熱器進行了實驗研究，實驗結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)對的空氣壓降幾乎沒有影響 [11]。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 ；二是增強空氣側的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達到強化換熱的目的，主要采用將