【正文】 從結(jié)果中得出，一個經(jīng)過傳熱強化的面可以設(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行了研究。Yu等人（2005年）進行了實驗研究和數(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行了研究。之前已經(jīng)對各種各樣的強化面進行了實驗研究，以此來測評強化換熱面的傳熱性能和流量分布。強化換熱面導(dǎo)致一系列變化：擾動的增強；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)來交換存在于擴展表面和環(huán)境流體之間的大量的熱。這里強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)生增強流體擾動并有較好流量分布的強化傳熱面。這些工業(yè)過程也為能量回收和進行流體加熱/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、民主而嚴謹?shù)淖黠L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)了嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度，這對你本人以后的學(xué)生和生活有深遠影響。(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，當空氣進口速度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u（Re數(shù)1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強。且管壁前緣換熱較強，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)流體流動特性進行劃分，在速度、壓力、溫度梯度較大區(qū)域要進行網(wǎng)格加密，在近壁面處由于邊界層影響，也要進行加密，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，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。 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，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面，翅片的前緣效應(yīng)使得傳熱得到強化。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。 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差分格式（Second Order Upwind），并選擇標準的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。 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。目前利用GAMBIT和FLUENT進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)格進行整體或局部的細化和粗化，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)，達到最佳設(shè)計效果。 CFD軟件介紹隨著計算機硬件和軟件技術(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、應(yīng)用面廣。(4) 顯示計算結(jié)果。(3) 編制程序和進行計算。(2) 尋求高效率、高準確度的計算方法，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，僅當網(wǎng)格極其細密時，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，也顯示出準確的積分守恒。有限體積法