【正文】 從結(jié)果中得出，一個經(jīng)過傳熱強(qiáng)化的面可以設(shè)計出來并可以適用于更寬泛的Re數(shù)范圍。這包括：(1) 評價材料成分對換熱面的設(shè)計（包括傳熱和流動分布）的影響；(2) 評價表面粗糙度對換熱面設(shè)計的影響；(3) 評價百葉窗式表面或開孔式表面對換熱器設(shè)計的影響；(4) 確定Re數(shù)對換熱表面設(shè)計的影響。Dorignac等人（2005年）實驗性地研究了針對多孔板的對流換熱。Sara等人（2000年）測定了附著在一個平面上，一個矩形管道里的固體和穿孔矩形塊的熱力性能。雖然從傳熱效率的角度看百葉窗式翅片是有優(yōu)勢的，但是百葉窗的形成增加了翅片板的機(jī)械應(yīng)力并且導(dǎo)致?lián)Q熱面的變形/失敗。為了評估百葉窗式換熱器的總體的換熱特性，已經(jīng)做了大量的研究。Molki 和HashemiEsfahanian（1992年）討論了折流擋板內(nèi)邊界附近強(qiáng)化傳熱的方法。Li和Chen（2007年）利用紅外熱成像法對平直翅片面在受限的沖擊射流條件下的性能進(jìn)行了研究。Yu等人（2005年）進(jìn)行了實驗研究和數(shù)值模擬研究來比較平直翅片表面的熱力性能。Sparrow和Hajiloo（1980年）對與流體流動平行布置的交錯平板陣列的換熱性能進(jìn)行了研究。之前已經(jīng)對各種各樣的強(qiáng)化面進(jìn)行了實驗研究，以此來測評強(qiáng)化換熱面的傳熱性能和流量分布。強(qiáng)化換熱面導(dǎo)致一系列變化：擾動的增強(qiáng)；二次流的產(chǎn)生；熱邊界層厚度的減薄和換熱面積的增加。在空氣液體換熱器的典型應(yīng)用中，空氣側(cè)的阻力占主導(dǎo)地位。這些換熱器通常由連續(xù)不斷的金屬翅片組成，這些翅片又被內(nèi)聯(lián)或交錯的管束穿在一起。高效換熱器的發(fā)展需要更高效率的技術(shù)來交換存在于擴(kuò)展表面和環(huán)境流體之間的大量的熱。這里強(qiáng)化傳熱面的測評顯示傳熱性能提升了超過40%，同時還產(chǎn)生了一個更加均勻的流量分布。流體速度和溫度的瞬態(tài)測量已經(jīng)可以實現(xiàn)。這項研究涉及到能夠產(chǎn)生增強(qiáng)流體擾動并有較好流量分布的強(qiáng)化傳熱面。這些工業(yè)過程也為能量回收和進(jìn)行流體加熱/冷卻提供了一個來源。為了能夠了解存在于光滑平行平板陣列之間的基本流動，前人已經(jīng)做了大量的研究。陰繼翔老師淵博的學(xué)識、敏銳的思維、民主而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)和對事業(yè)的執(zhí)著精神給了本人很大的啟迪和深刻的影響，使本人受益匪淺，使本人培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度，這對你本人以后的學(xué)生和生活有深遠(yuǎn)影響。(7) 對于管排方式，叉排換熱性能明顯好于順排，但流動阻力也較順排方式大。(6) 對于管排縱向間距，縱向間距越大，換熱系數(shù)h略有下降，但在本研究范圍內(nèi)影響不大。(4) 對于管排數(shù)的影響，單排管換熱性能優(yōu)于雙排管束，且管排越多，壓降越大。(3) 對于翅片間距的影響，當(dāng)空氣進(jìn)口速度u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力h是逐漸降低的；當(dāng)u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。且管壁前緣換熱較強(qiáng)，管后尾流區(qū)存在滯止渦流，使管后面積不能得到有效利用，換熱很差。本文就針對空調(diào)內(nèi)常用的翅片管換熱器為實際模型，建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了多種因素與翅片管換熱與流動特性的關(guān)系，并在整個學(xué)習(xí)計算過程中得出以下結(jié)論：(1) 在對物理模型劃分網(wǎng)格時，根據(jù)流體流動特性進(jìn)行劃分，在速度、壓力、溫度梯度較大區(qū)域要進(jìn)行網(wǎng)格加密，在近壁面處由于邊界層影響，也要進(jìn)行加密，從而使計算更精確、更易收斂。結(jié) 論平直翅片管換熱器是工業(yè)傳熱過程中的關(guān)鍵設(shè)備，以其結(jié)構(gòu)簡單、輕巧緊湊、高效耐用、綜合性能較好等特殊優(yōu)點，已在制冷空調(diào)、電子器件散熱及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 順排、叉排方式換熱性能的差異分析圖446 不同管排方式uh關(guān)系圖由上圖uh關(guān)系圖得出，在研究的來流速度范圍內(nèi)，叉排管束的換熱性能要明顯優(yōu)于順排管束，從速度場、溫度場分析，主要由于順排時前、后排管的尾流區(qū)連接在一起形成了寬度為D的尾流通道，其寬度和面積都比交叉排列時大，而尾流漩渦區(qū)的速度幾乎為零，換熱能力很差，從而導(dǎo)致順排傳熱性能比叉排方式要差。 順排、叉排的流場分布 圖439 順排管束溫度分布圖圖438 叉排管束溫度分布圖 圖441 順排管束速度分布圖圖440 叉排管束速度分布圖圖443 順排管束流線圖圖442 叉排管束流線圖 圖445 順排管束壓力分布圖圖444 叉排管束壓力分布圖 上圖顯示出叉排、順排管列的溫度、速度、壓力及流線分布，對比得出，順排管束流道內(nèi)的溫度、壓力分布更加平緩，尤其是一二排管之間的壓力場。 管排方式對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本小節(jié)針對雙排翅片管不同管排方式，即順排和叉排，進(jìn)行數(shù)值計算，模擬其流場的溫度、壓力分布，并計算分析其在換熱與阻力性能的差異。 縱向間距對阻力性能的影響圖437 不同縱向間距速度與壓降關(guān)系圖由圖437可明顯看出趨勢，縱向間距越大，壓降越小，流動阻力越小，且當(dāng)流速較小時，縱向間距對阻力特性影響較小，隨著流速增加，不同縱向間距翅片管壓降差別也愈明顯。 縱向間距對換熱性能的影響圖436 不同縱向間距uh關(guān)系圖由圖看出，在流速較小時（約為u），隨著管排縱向間距的增大，換熱性能變強(qiáng)，隨著流速的增加，管排縱向間距越大，換熱性能變差。 不同縱向間距管排內(nèi)流場的分布 圖431 圖430 圖433 圖432 圖435 圖434 以上為翅片管縱向間距/、壓力、速度場分布圖。 管排縱向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對不同縱向間距的翅片管進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析其對換熱與阻力特性的影響。 橫向間距對換熱性能的影響圖428 不同橫向間距uh關(guān)系圖由上圖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(dāng)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。 不同橫向間距的管排內(nèi)流場分布圖423 圖422 圖425 圖424 圖426 圖427 以上為翅片管橫向間距/、壓力、速度場分布圖。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。 管排數(shù)對壓降特性的影響圖421 不同管排流道內(nèi)速度與壓降關(guān)系圖由上圖明顯看出，隨著流動方向管排數(shù)的增加，空氣進(jìn)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。 管排數(shù)對換熱特性的影響圖420 不同管排流道內(nèi)uh關(guān)系圖由上圖得，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。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。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。排數(shù)取為4排。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。 翅片間距對壓降特性的影響圖413 不同翅片間距下Re與f關(guān)系圖圖412 不同翅片間距下速度與壓降關(guān)系圖 圖412顯示出不同間距下，空氣進(jìn)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。間距越小，渦流運(yùn)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。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。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(dāng)空氣進(jìn)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(dāng)u（Re1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強(qiáng)。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s。 雷諾數(shù)Re與綜合性能指數(shù)j/f的關(guān)系圖410 Re數(shù)與綜合性能指數(shù)j/f關(guān)系圖由上圖可以看出，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(qiáng)，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。 雷諾數(shù)Re與阻力系數(shù)f關(guān)系圖49 Re數(shù)與阻力系數(shù)f關(guān)系圖隨著流速的增加，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。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(qiáng)化。而在管后壓力變化平坦。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。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。由圖443看出，當(dāng)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。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s、對應(yīng)雷諾數(shù)變化范圍約1000～2450。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。給定不同的進(jìn)口速度(～ m/s)，在 PC機(jī)上借助FLUENT軟件,分別計算分析傳熱及阻力。 控制方程的離散及收斂標(biāo)準(zhǔn)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），并選擇標(biāo)準(zhǔn)的Simple算法求解壓力速度耦合問題。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。(4) 對翅片區(qū)域全流場采用Cooper方法生成六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)控制在200000以內(nèi)。(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。因為網(wǎng)格的正交性越好，計算越準(zhǔn)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。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。 平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬 計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)值模擬首先就要對計算區(qū)域進(jìn)行離散化，即網(wǎng)格劃分。 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(xì)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(biāo)、選擇物理模型和計算模型、決定求解過程。目前利用GAMBIT和FLUENT進(jìn)行工程計算和模擬已經(jīng)越來越廣泛。FLUENT還可根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，對網(wǎng)格進(jìn)行整體或局部的細(xì)化和粗化，自適應(yīng)網(wǎng)格就是計算到一定的步驟后 對初算結(jié)果進(jìn)行分析，自動在速度、壓力等變化梯度比較大的地方增加網(wǎng)格密度，這樣使問題得到快速合理的解決，滑移網(wǎng)格采用在流體方向變化較大，如活塞運(yùn)動的情況下，這時網(wǎng)格隨流動滑移，增加問題的收斂性及準(zhǔn)確性。FLUENT集成的前處理軟件GAMBIT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖31 CFD軟件的一般組成結(jié)構(gòu) FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介，繼PHOENICS軟件之后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成（如圖31）。通過CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預(yù)測性能，并通過改變各種參數(shù)，達(dá)到最佳設(shè)計效果。 CFD軟件介紹隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動理論的商用CFD軟件。 計算流體動力學(xué)的特點CFD的長處是適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用面廣。(4) 顯示計算結(jié)果。(3) 編制程序和進(jìn)行計算。(2) 尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計算方法，即建立針對控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。具體說就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應(yīng)的定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。其基本思想可以歸結(jié)為：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。[18] CFD概述 計算流體動力學(xué)簡介計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。因而針對上述常用的數(shù)值計算方法，從實施的難易及發(fā)展成熟程度而言，有限容積方法研究最為活躍，用有限體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)物理意義明確,計算量相對較小。有限體積法只尋求的結(jié)點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網(wǎng)格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并將其作為近似解。而有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。有限體積法