【正文】 橫向間距對壓降性能的影響 由上圖 u△。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。其中，橫向間距 S2/D 分別取 、 和 ， D 為管道外徑 10mm。 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。 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。同時， 4 排的出口壓力明顯低于 2 排管。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。 多排管束的流場分布 圖 412 不同翅片間距下速度與壓降關系圖 圖 413 不同翅片間距下 Re 與 f 關系圖 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。 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。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。 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。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。這種變化特性與翅片間的流動情況有關。 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 的變化關系。 圖 49 Re 數(shù)與阻力系數(shù) f 關系圖 圖 410 Re 數(shù)與綜合性能指數(shù) j/f 關系圖 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。由上圖 Ref 關系看出，隨 Re 增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。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，應從充分利用翅片管的前緣效應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)關系圖 31 特性入手。 雷諾數(shù) Re 與 Nu 關系 由上圖 48 示 ReNu 關系看出，隨流速的增大， Nu 與 Re 呈線性關系增加，換熱增強。 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。同時出口溫度隨流速的增大而減小。 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，由于管子迎風側(cè)流動滯止及背風面脫體漩渦的存在，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，導致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。在管子的前額處，流體受管子阻礙而滯止，速度降為零。 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。 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。 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。 對于收斂準則設定，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。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。 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。 (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)格來適應管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量，最小間距為 。鑒于平直翅片管通道流動的復雜性，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 。 本文采用 GAMBIT 軟件來建立幾何模型，并進行網(wǎng)格生成。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。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) 設置材料特性及工質(zhì)物性參數(shù)； (8) 設置邊界條件； (9) 調(diào)整用于控制求解的有關參數(shù)（松弛因子、收斂條件、求解算法）； (10) 設置特定監(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，自適應修改網(wǎng)格或計算模型，然后重復上述過程計算。 圖 31 CFD 軟件的一般組成結(jié)構(gòu) 23 FLUENT 程序結(jié)構(gòu) FLUENT 程序軟件包由以下幾個部分組成 : (1) GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成； (2) FLUENT用于進行流動模擬的求解器； (3) prePoF由于模擬 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。 GAMBIT 這種網(wǎng)格的自適應能力可以使網(wǎng)格的生成變得非常自由，并對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。對于二維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對于三維問題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。其設計基于 CFD 軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象， FLUENT 軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。鑒于其多種優(yōu)點，目前利用 GAMBIT 和 FLUENT 進行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛，其中本文就是基于 Fluent 軟件來進行研究的。 CFD 的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)生的機理，為試驗提供指導，節(jié)省試驗所需的人力、物力和時間，并能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果的整理和得出規(guī)律起到很好的指導作用。該軟件專門用來進行流場分析、流場計算、流場預測。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計算域的幾何形狀和邊界條件復雜，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，可利用計算機進行各種數(shù)值實驗；再者，它不受物理模型和實驗模型的限制，省錢省時，有較多的靈活性，能給出詳細和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。計算結(jié)果一 般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。這部分工作包括網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入， 21 控制參數(shù)的設定等。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。流體的基本控制方程通常包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。 計算流體動力學的工作步驟 采用 CFD 方法對流體流動進行數(shù)值模擬過程（如圖 14），通常包括以下步驟： (1) 建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學模型。 CFD 可以看做是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數(shù)值模擬。 CFD這一始于本世紀三十年代到如今的計算機模擬技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(quán)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(quán)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(jié)構(gòu)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