【正文】 gers．Key words: numerical simulation；plainfin；laminar flow；heat transfer目 錄摘 要 IAbstract 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 本文的主要研究內(nèi)容 11第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析 12 平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述 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)模型描述與簡化假設(shè) 14第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介 18 常用數(shù)值計算方法簡介 18 CFD概述 20 FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介 22 平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬 24第四章 平直翅片管數(shù)值計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析 27 迭代殘差圖 27 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 27 翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 32 管排數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 33 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 35 管排縱向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 38 管排方式對平直翅片管換熱與壓降特性的影響 40結(jié) 論 43參考文獻(xiàn) 44外文原文 47中文翻譯 53第一章 緒論 課題背景及研究意義 強(qiáng)化傳熱技術(shù)概述強(qiáng)化傳熱是上世紀(jì)六十年代開始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技術(shù)。本文針對平直翅片管內(nèi)的流動特點，主要對以下內(nèi)容進(jìn)行研究：簡單概述平直翅片管研究的動態(tài)及現(xiàn)狀，并在對比分析對其進(jìn)行實驗法、分析法及數(shù)值方法的優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，確定本文采用數(shù)值方法，使用GAMBIT軟件對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管建立物理模型，計算Re數(shù)與努塞爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f的關(guān)系，分析流動參數(shù)Reynolds數(shù)、翅片間距、管排數(shù)、翅片管管排間距（橫向間距和縱向間距）等因素對平直翅片管流動與換熱性能的影響，探討不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的流動特征及阻力特性，為工業(yè)應(yīng)用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進(jìn)、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。盡管它在結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱強(qiáng)度和單位金屬消耗量等方面遜于板式或板翅式換熱器，但平直翅片管換熱器以其能承受高溫高壓、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠、制造簡單、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣等優(yōu)點，仍在能源、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。第四部分 翅片管數(shù)值計算結(jié)果及分析該部分主要針對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管數(shù)值模擬的結(jié)果（速度場、壓力場及溫度場）進(jìn)行顯示、并對數(shù)據(jù)整理，分析其各因素對翅片管換熱與阻力特性的影響。第一部分 緒論第二部分 平直翅片管換熱流動模型建立與分析該部分主要分析了平直翅片管通道的流動特點，描述了本文所研究對象的構(gòu)建及計算區(qū)域的選取，并討論了相關(guān)參數(shù)的計算方法及模型計算定解條件的確定。空氣物性參數(shù)為：　　第2頁，管外壁面溫度恒定：。假設(shè)流動介質(zhì)為不可壓縮空氣，物性參數(shù)為常數(shù)，忽略重力影響，流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流且已進(jìn)入周期性充分發(fā)展段。通常管子以叉排和順排兩種方式排列，且流動換熱在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)各不相同，其流場與溫度場可用周期性的流動與換熱模型進(jìn)行模擬，具體問題如下：流體橫掠平直翅片管管束，管內(nèi)外流體形成交叉流動，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對稱性，計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的一半來進(jìn)行，橫向尺寸由管間中分面和管子中心縱剖面界定，高度由翅片厚度中分面及翅片間距中分面來界定。 太　原　理　工　大　學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書第1頁畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：畢業(yè)設(shè)計（論文）要求：(1) 了解強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展、平直翅片管強(qiáng)化傳熱的機(jī)理及此換熱設(shè)備在實際中的應(yīng)用；(2) 了解翅片管換熱與阻力性能研究進(jìn)程及國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀；(3) 了解用數(shù)值方法研究翅片管換熱問題的優(yōu)越性并掌握數(shù)值解法的基本原理；(4) 初步掌握GAMBIT軟件構(gòu)建三維模型、劃分網(wǎng)格、使用Fluent軟件數(shù)值求解并對實驗數(shù)據(jù)后處理分析的基本方法；(5) 初步培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴刭|(zhì)和獨立工作的能力。原始數(shù)據(jù)：平直翅片管式換熱器在空調(diào)制冷、電子器件散熱設(shè)備中最為常見。所以，本文僅取一個單元周期區(qū)域研究即可（見圖中虛線所圍部分）。管徑10cm，管排縱向間距為22mm，橫向間距為16mm。計算區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖第3頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：通過對富氧燃燒技術(shù)的認(rèn)識，了解該技術(shù)對節(jié)能、減排、降耗的適用性；并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面研究該技術(shù)對電站鍋爐的影響，能夠提出解決一些問題的方案或者建議。第三部分 平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介該部分主要介紹了數(shù)值傳熱學(xué)理論及常用數(shù)值解法，并分析實驗法、分析法和數(shù)值解法各自的優(yōu)勢；描述了CFD理論思想基本概況、利用GAMBIT對計算區(qū)域離散的方法及FLUENT數(shù)值算法的選取。第五部分 結(jié)論學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計文件（論文）：畢業(yè)設(shè)計一份　　第4頁主要參考文獻(xiàn)（資料）：1. 李祥華，宋光強(qiáng)．幾種新型換熱器的特點及使用狀況對比[J]．化肥工業(yè)．2001，9(1)：7880．2. 劉衛(wèi)華．百葉窗型和波形管片式換熱器性能實驗研究[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報．1996，9（2）：4953．3. 孟繼安．基于場協(xié)同理論的縱向渦強(qiáng)化換熱技術(shù)及其應(yīng)用[D]．北京：清華大學(xué)航天航空學(xué)院，2003，15．4. 陶文銓．計算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：1991．47．5. 康海軍，李嫵，李慧珍等．平直翅片管換熱器傳熱與阻力特性的實驗研究[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報．1994，28(1)：9198．6. 柳飛，何國庚．多排數(shù)翅片管空冷器風(fēng)阻特性的數(shù)值模擬[J]．制冷與空調(diào)．2004，4(4)：3033．7. 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platefin heat exchangers，plainfinned tube heat exchangers have also being widely used in the energy，chemical，oil and other industries for its many advantages which contained withstand high temperature and pressure，adptable widely，reliable，simple manufacturing，low costs and wide selection．Thus，studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significance．Aim at the flow characteristics of plainfinned tube，this paper will study the followings：Simplely overview the study progress and present stuation of plainfinned tube，and on the basis of parative analysis the goods and bads of three research methods：experimental，analysis and numerical method．we determine use Gambitsoftware to bilud physical model for different size tube structures，and use to study the flow in the finned tube channel，then calculate the relationship between Re and Nu number，f(resistance cofficient)，and analyze Re，finpitchnumber of tube rows，row spacing of fin tube(horizontal spacing and vertical spacing)，the impact on the plainfinned tube39。它的任務(wù)是促進(jìn)和適應(yīng)高熱流，以達(dá)到用最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護(hù)高溫部件的安全運行，以及用最高效率來實現(xiàn)能源的有效利用。而換熱器作為一種傳熱設(shè)備成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備[1]。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運轉(zhuǎn)和改進(jìn)對于整個企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動力消耗有著重要影響。采用先進(jìn)技術(shù)，節(jié)能降耗，倡導(dǎo)低碳生活和綠色的生存模式，提高能源有效利用率勢在必行，正是出于這種目的，許多學(xué)者對強(qiáng)化換熱技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，提高換熱器的換熱效率來節(jié)約能源。強(qiáng)化傳熱是實現(xiàn)換熱器高效、緊湊換熱的主要途徑，其基本元件的開發(fā)研究一直備受關(guān)注，各種行業(yè)對強(qiáng)化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強(qiáng)化傳熱技術(shù)總可以達(dá)到下列目的[2]：(1) 減少初設(shè)計的傳熱面積和重量；(2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；(3) 使換熱器在較低的溫差下工作；(4) 減少換熱器的阻力，以減少換熱器運行時的動力消耗；(5) 提高換熱器的換熱器能力，同時使得增加的阻力不至于太大。方法(5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動阻力這兩者之間做一個較好的權(quán)衡，起到減阻強(qiáng)化傳熱的效果[3]。這幾個目的不可能同時滿足，因為它們是相互制約的，在選擇某一種強(qiáng)化技術(shù)前，必須先根據(jù)其具體任務(wù)，對設(shè)備體積、重量、投資及操作費用進(jìn)行綜合平衡[4]。具體說來，就是用各種異型管取代原來的光管，現(xiàn)在較常用的有螺旋橫紋（螺紋管）、橫槽紋管、波紋管、內(nèi)翅管及管內(nèi)插入強(qiáng)化物質(zhì)；三是換熱設(shè)備的強(qiáng)化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說按照能量的品味逐級利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。因此，它們在強(qiáng)化效果、加工造價、流道通暢、使用壽命、流動阻力等方面上都有待改進(jìn)，尤其在上述諸性能的綜合性能上參差不齊，需要探索更合理的方式[5]。對流換熱強(qiáng)化技術(shù)在氣體側(cè)的應(yīng)用要綜合考慮許多因素：首先要確定流體的流態(tài)，即層流或湍流。在湍流對流換熱情況下，由于流體核心的速度場和溫度場都已經(jīng)比較均勻，對流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對湍流換熱所采取的主要強(qiáng)化措施是破壞邊界層，使傳熱溫差發(fā)生在更加貼近壁面的流體層中，增強(qiáng)換熱能力[6]。所以，此時采用增強(qiáng)流體擾動，提高換熱系數(shù)的方法對空氣側(cè)換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應(yīng)該是擴(kuò)大換熱面積。圖11 翅片管式換熱器實物模型翅片的發(fā)展主要分為三個階段:連續(xù)型翅片、間斷型波紋翅片和帶渦流發(fā)生器的翅片。雖然翅片類型已由平直翅片向波紋片、百葉窗、沖縫片和穿孔翅片等多種高效形式演變，平直翅片的強(qiáng)化傳熱效果不如錯齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡單方便、 運用上的耐久性及其較好的適用性，到目前為止，平翅片換熱器仍是最為常用的一種翅片管式換熱器之一。采用平直翅片加強(qiáng)傳熱的機(jī)理是傳熱面積的增大和水力直徑的減小，使流體在通道中形成強(qiáng)烈的紊動，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率?？梢姽芡獬崞膿Q熱仍然是制約換熱器效能的主要因素，因此，強(qiáng)化空氣側(cè)的換熱成了管翅式換熱器強(qiáng)化傳熱的重要問題