【正文】 這段時光將珍藏于我的記憶，便縱有千種風(fēng)情，更與何人說！ 感謝我的父母及家中長輩給予我的支持與鼓勵，家長的期望是我我順利完成學(xué)業(yè)的最大動力。在此，向在開題過程中指導(dǎo)的各位老師表達由衷的感謝和敬意！ 感謝同門賈鵬飛，李建華，夏志鵬等在本論文完成期間給予的幫助，我向他們請教了很多的問題，并頗有收獲 。 首先，導(dǎo)師唐玲虹嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、開闊的學(xué)術(shù)思維、淵博的科學(xué)知識、忘我的工作熱情、謙虛的做人品質(zhì)和高尚的育人師德，無論在學(xué)術(shù)還是生活上都給我無盡的啟迪，使我人生受益。論文工作的開展離不開導(dǎo)師、同學(xué)及其他老師的關(guān)懷和指導(dǎo)。終于到了畢業(yè)答辯，請各位教授、專家審核評定的日子。(5) 數(shù)值計算結(jié)果表明，翅片間距和波峰到波谷投射長度越小，空氣側(cè)換熱越強，同時空氣側(cè)的阻力越大；波峰到波谷高度越大，空氣側(cè)換熱越強，同時空氣側(cè)的阻力越大。(3) 波紋翅片的j/f顯然大于人之形波紋翅片的j/f，光滑波紋翅片的換熱性能盡管稍微減小，但是卻可以較大程度減小壓降，表明了光滑波紋翅片是一種性能優(yōu)異的波紋翅片形式。所得結(jié)論如下：(1) 波紋翅片管翅式換熱器換熱性能隨著迎風(fēng)速度的增大而增大，換熱器的阻力損失同樣隨著迎風(fēng)速度的增大而增加，在實驗范圍內(nèi)給出了摩擦因子與努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式, 為相關(guān)的工業(yè)應(yīng)用提供理論根據(jù)。分析原因；因為波峰到波谷高度變大，相當于在翅片間距不變的情況下，流體在通道內(nèi)流動距離增大，流動時間增多，從而使傳熱效果得以增強，同樣由于流體流動距離增多，流動阻力也隨之增大。從圖中可以看出，隨著波峰到波谷高度的增大，數(shù)和因子均增大。 波峰到波谷高度的影響本節(jié)對3種不同的波峰到波谷高度進行了數(shù)值計算，、計算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù)如表38所示。分析原因；因為波峰到波谷投射長度變小，相當于在翅片長度不變的情況下，翅片波紋的數(shù)目增大。從圖中可以看出，隨著波峰到波谷投射長度的增大，數(shù)和因子均減小。 波峰到波谷投射長度的影響本節(jié)對3種不同的波峰到波谷投射長度進行了數(shù)值計算，、計算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù)如表37所示。從另外一個角度來看，當固定一個換熱器芯體的體積時，采用小的翅片間距可以加裝更多的翅片數(shù)目，增加換熱面積，從而增加換熱器的緊湊度。分析原因；因為翅片間距變小，相當于通道高度變窄，上下兩翅片壁面處的溫度梯度變大，使得換熱增強。從圖中可以看出，隨著翅片間距的增大，數(shù)和因子均減小。圖313管排對波紋翅片換熱性能的影響 圖314管排對波紋翅片阻力性能的影響 翅片間距的影響本節(jié)對3種不同的翅片間距進行了數(shù)值計算，、計算模型采用的換熱器其他幾何參數(shù)如表36所示。 管排的影響不同管排光滑波紋翅片管翅式換熱器流動換熱性能計算結(jié)果如圖313和圖314所示。本節(jié)采用j/f的評價準則對這兩種翅片的綜合換熱性能進行比較，如圖321所示。從圖38和圖39可以看出，Nu數(shù)隨著迎風(fēng)速度的增大而增大，同樣隨著迎風(fēng)速度的增大而增加；從圖310和圖311可以看出，j因子隨著的增大而減小，同樣隨著的增大而減小。計算模型采用的波紋翅片幾何參數(shù)如表35所示。本節(jié)通過數(shù)值計算考核這些因素對波紋翅片管翅式換熱器流動換熱性能的影響。如圖所示，網(wǎng)格數(shù)為199920與網(wǎng)格數(shù)為133280 %，%；網(wǎng)格數(shù)為199920與網(wǎng)格數(shù)為266560 %，%，所以本章采用網(wǎng)格數(shù)為199920進行計算。 計算網(wǎng)格無關(guān)性考核相應(yīng)地在對光滑波紋翅片管翅式換熱器物理模型進行計算之前，先進行了網(wǎng)格無關(guān)性考核，如圖37所示。數(shù)值模擬計算采用有限體積法來離散方程，對流項的離散采用二階迎風(fēng)格式，計算所采用的湍流模型為Standard kε模型，壓力和速度耦合采用SIMPLEC格式，壓力插值方式采用Standard格式。固體邊界條件：管子和翅片的速度邊界條件是速度為零，翅片表面的溫度由自身導(dǎo)熱和表面對流換熱耦合計算確定。出口：采用局部單向化條件。圖36部分波紋翅片管翅式換熱器計算模型網(wǎng)格 控制方程與邊界條件 描述整個換熱表面的流動和換熱的守恒控制方程為：連續(xù)性方程： (31)動量方程： (32)能量方程： (33) 由于控制方程是橢圓型的，所以在所有的邊界上應(yīng)給出求解變量的邊界條件。圖 35 光滑波紋翅片的計算區(qū)域示意圖本文采用Gambit軟件進行光滑波紋翅片管翅式換熱器計算模型的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)格的生成, 并輸出用于CFD軟件FLUENT求解器計算的格式，然后利用FLUENT求解器對流動區(qū)域進行求解計算, 并進行計算結(jié)果的后處理。數(shù)值模擬參數(shù)為：管壁溫度取350 K，流體入口溫度取300 K。 圖 34光滑波紋翅片管翅式換熱器計算模型由于管子和翅片的對稱性，取兩根相鄰圓管及翅片的一半作為計算模型，如圖34所示。本文主要對空氣側(cè)的換熱進行研究，計算中不考慮基管與翅片之間的接觸熱阻。因為管內(nèi)冷卻水強制對流換熱系數(shù)較高，所以可以忽略管內(nèi)的熱阻，假設(shè)管壁溫度為常數(shù)。而且采用數(shù)值模擬，可以實現(xiàn)實驗無法達到的工況，如小風(fēng)速或忽略管子與翅片之間的接觸熱阻等。工業(yè)應(yīng)用中，管子材料一般為銅（在高溫下亦可采用不銹鋼），翅片材料在不同場合使用時有鋁（空調(diào)行業(yè)），或銅（大型中冷器行業(yè)）。管側(cè)流體為液體（如水、制冷劑等），翅片側(cè)流體為氣體（如空氣、燃氣、煙氣等）。 6排管光滑波紋翅片管翅式換熱器數(shù)值計算管翅式換熱器如圖32所示，常用于制冷、空調(diào)、化工等工程領(lǐng)域中，如空調(diào)機組用的蒸發(fā)器、風(fēng)機盤管及氣體壓縮機中冷器等。 圖31 光滑波紋翅片結(jié)構(gòu)示意圖波紋翅片管翅式換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表31所示。K1。K1，翅片的材料為鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為202 W管子的材料為白銅（CuNi10Fe），導(dǎo)熱系數(shù)為40 W然而，實驗往往受到模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過實驗方法得到結(jié)果。但是，它往往要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。雖然在某些研究領(lǐng)域中，目前數(shù)值計算幾乎已取代了實驗研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實驗研究、理論分析與數(shù)值計算這三種研究手段則是相輔相成、互為補充的。 圖15 工程物理問題數(shù)值計算的一般步驟數(shù)值計算方法的這些優(yōu)點使人們熱衷于計算機的分析，但是它也有一些局限性。(4) 具有模擬理想條件的能力。它能夠提供在整個計算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。(3) 數(shù)據(jù)完整。用計算機進行計算和研究能以及其驚人的速度進行。而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展（處理器運算速度的提高，硬件成本的下降），它在科學(xué)研究的重要性將越來越突出。運用計算機的數(shù)值方法進行預(yù)測的最重要優(yōu)點是它的成本低。由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對換熱效果的影響十分復(fù)雜，以解析方法及實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，計算傳熱學(xué)與計算流體動力學(xué)發(fā)揮著越來越重要的作用。數(shù)值傳熱學(xué)求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點，node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程，discretization equation），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值[8]。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；隨著高速計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，以及湍流模型的不斷發(fā)展與完善，使用電子計算機作為模擬和實驗的手段成為可能，從而可以用數(shù)值方法來求解流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的各種各樣的問題。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(yīng)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(shè)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(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)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(lǐng)域的復(fù)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(dǎo)，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(dǎo)作用。該軟件專門用來進行流場分析、流場計算、流場預(yù)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(fù)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?zāi)Ｐ偷南拗?，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，控制參數(shù)的設(shè)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(yīng)的定解條件。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(xué)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(xué)、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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[27]。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。(3) 有限元法(Finite Element Method，F(xiàn)EM)有限元方法的基礎(chǔ)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(dǎo)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，F(xiàn)VM) 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(yīng)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 ： （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(dǎo)熱系數(shù)。(2) 空氣入口溫度為300K，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)。為保