【正文】 翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型； 三是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開(kāi)，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。 [2] 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 人們?cè)谶M(jìn)行強(qiáng)化翅片表面換熱的 研究中，提出了各種強(qiáng)化換熱的方法。它可以通過(guò)比較各種型號(hào)的換熱器的換 7 熱和流動(dòng)阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動(dòng)性能，對(duì)換熱器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過(guò)實(shí)驗(yàn) 方法得到結(jié)果 [10]。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)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(jì)算幾乎已取代了實(shí)驗(yàn)研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值計(jì)算這三種研究手段則是相輔相成、互為補(bǔ)充的。 數(shù)值計(jì)算方法的這些優(yōu)點(diǎn)使人們熱衷于計(jì)算機(jī)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(gè)計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展（處理器運(yùn)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(lái)越突出。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低。本文將針對(duì)平直翅片管對(duì)換熱特性與流動(dòng)阻力的影響利用商業(yè)軟件 進(jìn)行數(shù)值模擬。上述基本思想可以用圖 15 來(lái)表示。 圖 12 忍者 I 代塔式穿 fin 散熱器 圖 13 10 熱管穿 finCPU散熱器 圖 14 平直翅片管模型 5 數(shù)值傳熱學(xué)（ Numerical Heat Transfer， NHT）又稱計(jì)算傳熱學(xué)（ Computational Heat Transfer， CHT）是指對(duì)描寫(xiě)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程采用數(shù) 值方法通過(guò)計(jì)算機(jī)予以求解的一門(mén)傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對(duì)它的研究不僅有利于提 高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對(duì)改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計(jì)型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導(dǎo)意義。 研究發(fā)現(xiàn)，翅片管式換熱器管內(nèi)熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管外空氣側(cè)的熱阻比為 2∶ 1∶ 7[5]。平直翅片管（圖 14）換熱器具有良好的傳熱性能和低阻力性能，其在制冷、空調(diào)、化工、電子微器件散熱（如 CPU 熱管式散熱器 圖 11 翅片管式換熱器實(shí)物模型 4 圖 12 和 13）等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用 [7]。其中，連續(xù)型翅片包括平直 型、波紋型等翅片；間斷型翅片包括百葉窗翅片、錯(cuò)位翅片等；帶渦流發(fā)生器翅片主要是通過(guò)渦流發(fā)生器產(chǎn)生橫向渦和縱向渦來(lái)使換熱強(qiáng)化。 采用附加表面來(lái)增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布就是強(qiáng)化空氣側(cè)換熱最常用的手段之一，翅片管換熱器（如圖 11）就是基于上述原理制造出來(lái)的。但由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。在層流對(duì)流換熱情況下，流體速度和溫度呈拋物線分布，從流體核心到壁面都存在速度和溫度的梯度，因此對(duì)層流換熱所采取的強(qiáng)化措施是使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的 3 徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強(qiáng)化層流換熱。 翅片管換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù) 在強(qiáng)化傳熱方法研究中，換熱器氣體側(cè)的傳熱熱阻是提高換熱器傳熱效果 的主要障礙。無(wú)論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來(lái)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn)，但這些方法有許多缺點(diǎn)，例如換熱管的加工制作工藝過(guò)于復(fù)雜，增加金屬消耗量從而增加換熱器重量，又易于造成管子堵塞，換熱能力增強(qiáng)的同時(shí)，阻力也相對(duì)增大許多，從而造成運(yùn)行成本的提高等。 現(xiàn)在，對(duì)傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強(qiáng)化換熱研究主要集中在三大方向上 [1]：一是開(kāi)發(fā)新的換熱器品種，如板式、螺旋板式、振動(dòng)盤(pán)管式、板翅式等等，這些換熱器設(shè)計(jì)思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對(duì)傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強(qiáng)化措施。不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)可滿足不同的要求，如減少初次傳熱面積以減小換熱器的體積和重量，或提高換熱器的換熱能力，或增大換熱溫差，或減少換熱器的動(dòng)力消耗。 其中，方法 (5)是一種嶄新的強(qiáng)化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強(qiáng)化換熱的方法會(huì)明顯帶來(lái)流動(dòng)阻力的大幅增加，而很多時(shí)候阻力增加的代價(jià)是大于換熱增加帶來(lái)的效益的，出現(xiàn)這種情況就會(huì)得不償失了。換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強(qiáng)化換熱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。 近十幾年來(lái)，世界面臨著能源短缺的局面，為緩和能源緊張的狀況，世界各國(guó)競(jìng)相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個(gè)重要課題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占 30%～ 40%；在制冷機(jī)組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機(jī)組總重量的 30%～ 40%，動(dòng)力消耗占總值的 20%～ 30%；在熱電廠中，如果將鍋爐也視作換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的 70%左右 [2]。正因?yàn)槿绱藗鳠釓?qiáng)化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，無(wú)論在動(dòng)力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程領(lǐng)域，還是航空航天、電子、核能等高技術(shù)領(lǐng)域，都不可避免的涉及熱量的傳遞及其強(qiáng)化問(wèn)題。s flow and heat transfer performance， so as to provide a theoretical basis for the disgn， improvement and optimization of plainfinned tude heat exchangers． Key words: numerical simulation； plainfin； laminar flow； heat transfer III 目 錄 摘 要 ...................................................................................................................................... I Abstract......................................................................................................................................II 第一章 緒論 ......................................................................................................................... 1 課題背景及研究意義 ............................................................................................. 1 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 ................................................................................. 4 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果 ................................................................. 7 本文的主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................... 11 第二 章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析 ............................................................... 12 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)程的描述 ................................................... 12 平直翅片管換熱器物理模型的建立 ................................................................... 12 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè) ............................................................... 14 第三章 基于 Fluent 平直翅片管數(shù)值模擬及 CFD 簡(jiǎn)介 ................................................. 18 常用數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介 ....................................................................................... 18 CFD 概述 .............................................................................................................. 20 FLUENT 軟件概述及 GAMBIT 簡(jiǎn)介 ................................................................. 22 平直翅片管基于 FLUENT 數(shù)值模擬 ................................................