【正文】 meter and other parameters on air side heat transfer and flow characteristics are studied. At the same time, I have carried out the numerical simulation analysis on different geometric dimensions of the wavy fins,I calculated the heat transfer factor j and resistance factor f of each model. According to their value we can judge the performance of that model. Finally, examine the corrugated form of tube rows, fin spacing, the projected length of the crest to trough and crest to trough height effects on flow and heat transfer performance.Keywords；wavy fins；numerical simulation；heat transfer factor； resistance factor；heat transfer performance 目 錄 第一章 緒 論…………………………………………………………………………1 課題研究背景及意義…………………………………………………………1 波紋翅片的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合…………………………………………………2 研究現(xiàn)狀………………………………………………………………………2 本文的研究工作………………………………………………………………7 第二章 數(shù)值模型的建立與計(jì)算方法…………………………………………………8 概論……………………………………………………………………………8 波紋翅片管換熱器物理模型立………………………………………………8 相關(guān)參數(shù)的確定………………………………………………………………9 物理模型的邊界條件及初始條件 …………………………………………10 利用數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介 ……………………………………………………11 CFD簡(jiǎn)介 ……………………………………………………………………13 fluent軟件概述及GABBIT簡(jiǎn)介……………………………………………14 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法 ………………………………………………16 第三章 數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 ………………………………………………19 光滑波紋翅片管翅式換熱器 ………………………………………………19 6排管光滑波紋翅片管翅式換熱器數(shù)值計(jì)算………………………………20 幾何參數(shù)對(duì)波紋翅片管翅式換熱器的換熱阻力性能的影響 ……………24 總 結(jié)…………………………………………………………………………………31 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………31致 謝…………………………………………………………………………………34格式 第一章 緒 論 板翅式換熱器是在20世紀(jì)問(wèn)世的,由于其在節(jié)省能源與材料方面的優(yōu)越性以及具有體積小，重量輕、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，如今在石油化工、能源動(dòng)力、冶金、制冷、航空航天、原子能和機(jī)械等各領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)不同尺寸的波紋翅片進(jìn)行了數(shù)值模擬分析并計(jì)算出各個(gè)模型的換熱因子 j 和阻力因子f，根據(jù)他們的數(shù)值判斷翅片在該模型下的性能優(yōu)略。本文應(yīng)用FLUENT軟件針對(duì)波紋翅片管換熱器空氣側(cè)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬。翅片管換熱器在制冷、空調(diào)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。西安石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 波紋翅片的傳熱與流動(dòng)特性研究 摘要；近些年來(lái)能源與環(huán)境問(wèn)題日益加劇,保護(hù)環(huán)境、降低能源消耗成為當(dāng)今世界的主題,因此各行業(yè)的學(xué)者都肩負(fù)減少能耗的重任。板翅式換熱器是在20世紀(jì)問(wèn)世的, 由于其在節(jié)省能源與材料方面的優(yōu)越性，如今在石油化工、能源動(dòng)力、冶金、制冷、航天等各領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。波紋翅片是這種緊湊式換熱器的翅片類(lèi)型中的一種, 它增加了傳熱面積和擾流的程度，對(duì)換熱器的性能有很大的提升。并研究Re數(shù)、管排數(shù)和管徑等參數(shù)對(duì)空氣側(cè)傳熱和流動(dòng)特性的影響。最后考察了波紋形式、管排、翅片間距、波峰到波谷投射長(zhǎng)度和波峰到波谷高度對(duì)流動(dòng)換熱性能的影響。并在利用熱能、回收余熱、節(jié)約原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益．板翅式換熱器的性能主要取決于翅片表面的傳熱與流動(dòng)特性。 換熱器在動(dòng)力、能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域中具有重要的地位。因此,換熱器的換熱性能與公業(yè)業(yè)發(fā)展關(guān)系密切。它在上世紀(jì)八十年代發(fā)展起來(lái),到目前為止,世界各國(guó)都在深化傳熱技術(shù)上不斷深入研究。所以,強(qiáng)化換熱技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。由于單位體枳傳熱而加大,傳熱能力增大,同樣熱負(fù)荷下與光管相比,翅片管換熱器管子少,因面結(jié)構(gòu)緊湊,便于布置。與光管相比，傳熱面積增大230倍，傳熱系數(shù)提高。可以利用不同材料的特性，自由選用材料。傳熱左比光管小,便于減輕管外表面結(jié)垢。翅片管受熱冷卻后,翅片根部垢層斷裂，自行脫落。因此應(yīng)適當(dāng)選擇造型,降低能量消耗。制冷劑或水在管內(nèi)流動(dòng),管外翅片間通道內(nèi)流過(guò)空氣,通過(guò)翅片、管壁與管內(nèi)的制冷劑或水進(jìn)行熱量交換。格式應(yīng)該是兩端對(duì)齊 波紋翅片的特點(diǎn)波紋翅片的縱向呈波紋狀,流體在其中流動(dòng)時(shí)，流向就會(huì)不斷地改變以促進(jìn)湍流形成,，達(dá)到增強(qiáng)傳熱效果的目的。但同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是流動(dòng)阻力也會(huì)很大，對(duì)材料的強(qiáng)度是一個(gè)挑戰(zhàn)，所以不能無(wú)限制地增大波幅和波紋密度，應(yīng)該使二者都盡量合適才是最好的。但是材料消耗比平直翅片大，不過(guò)跟它帶來(lái)的換熱效果相比，這點(diǎn)消耗也是相當(dāng)值得的。波紋翅片最主要的用途是用于板翅式換熱器，可以增強(qiáng)換熱器換熱效果。1974年,Saboya[3]等首次在復(fù)雜的單排平翅片管換熱器的翅片側(cè)利用實(shí)驗(yàn)定量計(jì)算局部傳熱系數(shù),總結(jié)出翅片表面局部Sh數(shù)的分布。1978年,McQuiston[4]得出特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下的翅片換熱及壓降關(guān)聯(lián)式。利用熱線風(fēng)速儀技術(shù)得到平均速度值和流動(dòng)的湍流參數(shù),由于凝結(jié)物的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)有流動(dòng)干擾。另外,混合網(wǎng)格能快速達(dá)到收斂,并很好與實(shí)驗(yàn)結(jié)架達(dá)到一致。雖然福射換熱總換熱量的30%,但不考慮福射換熱但不會(huì)影響結(jié)果的精確度。借助干涉儀和數(shù)偵微分方獲得對(duì)流換熱量和福射換熱量，并得到Nu和Re的關(guān)聯(lián)式。實(shí)驗(yàn)表明:翅片類(lèi)型影響換熱因子和摩擦因子,管排數(shù)對(duì)阻力系數(shù)幾乎無(wú)影響。同年,Meyer[9]采用實(shí)驗(yàn)研究了空氣的入口尺寸和出口速度分布都影響換熱器的空氣流動(dòng)特性。1999年,Wang等[11]提出,通過(guò)增加翅片密度并促進(jìn)流體瑞流,可以增加緊湊型氣氣換熱器:::側(cè)流體的換熱面積。該作者在原有氣換熱器基礎(chǔ)上,用三種方法增加條縫翅片,做大量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)換熱器性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:換熱系數(shù)和壓降值隨翅片密度的增加相應(yīng)增大。利用局部Nu數(shù)表示翅片表面對(duì)流換熱分布,結(jié)果表明,在渦流位置Nu數(shù)達(dá)到高峰值,在管尾部區(qū)域Nu數(shù)很小。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出無(wú)量綱壓降報(bào)尖系數(shù)。水在管內(nèi)流動(dòng),交氣垂直流向管子,為獲得傳熱系數(shù)采用NTU法,給出了氣側(cè)壓降關(guān)于幾何參數(shù)的關(guān)聯(lián)式?？諝獗焕鋮s得到的換熱系數(shù)比空氣被加熱得到的換熱系數(shù)大。測(cè)試了 22個(gè)換熱器,它們的翅片問(wèn)距、管排數(shù)、管排列形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)不同。同翅片間距情形下,管排數(shù)從1增加到4,換熱系數(shù)會(huì)逐漸降低。2007年,Sahin等[16]三維數(shù)值模擬研究平翅片管換熱器進(jìn)口角度和換熱特性的關(guān)系。得出在熱流條件情況下,流體流過(guò)波紋片,不斷破壞熱邊界條件:波紋夾角的大小影響換量。2010年,Choi[18]等對(duì)34個(gè)不同結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,得出結(jié)論:不連續(xù)的翅片換熱器的j因子方程式與式結(jié)構(gòu)尺相關(guān),%%。以前對(duì)空氣側(cè)換熱特性的模擬只是分析換熱器空氣側(cè),而把翅片與管壁溫度設(shè)為定值。2011年,八Aris[20]提出,空氣強(qiáng)制對(duì)流散熱管冷卻系統(tǒng)在電力電子設(shè)備(例如微處理器和IGBT)中扮演著卒要的角色。作者研究了在翅片表面開(kāi)廠角翼處理,這一設(shè)計(jì)形成的縱向禍流促使冷熱流體的混合,強(qiáng)化了換熱。通過(guò)前人的模擬結(jié)果可知CTD軟件是展示換熱器性能的有效工具。數(shù)值傳熱學(xué)的基本思想是把原來(lái)在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理量的場(chǎng)（例如速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)，濃度場(chǎng)等），用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則建立起這些離散點(diǎn)變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱(chēng)為離散方程）。數(shù)值模擬研究方法主要集中在下面兩個(gè)方面： （1）幾何參數(shù)對(duì)換熱及流動(dòng)的影響； （2）雷諾數(shù) Re 對(duì)換熱及流動(dòng)的影響。王先超、水黎明[22]等人，通過(guò)對(duì)波紋翅片數(shù)值模擬的分析,得出了影響波紋翅片換熱因子j和阻力因子f 的因素,同時(shí)把不同雷諾數(shù)Re下的波紋翅片與矩形翅片（即平直翅片）、矩形開(kāi)縫翅片（平直翅片開(kāi)縫得到）進(jìn)行了分析比較。李媛[23]等人以 3 種常見(jiàn)的翅片類(lèi)型(平直翅片、鋸齒翅片、波紋翅片)為研究對(duì)象,利用標(biāo)準(zhǔn)kε雙方程湍流模型求解三維NavierStokes方程,采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法模擬和分析了板翅式換熱器單通道中，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)翅片表面換熱與流動(dòng)的影響 ,并將不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下的數(shù)據(jù)制作成曲線圖表,發(fā)現(xiàn)3種翅片的換熱因子 j 和阻力因子 f 隨雷諾數(shù) Re 的增大而遞減，這與他們的實(shí)驗(yàn)[24]得出的結(jié)論是一致的,這就說(shuō)明了：將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于翅片表面換熱和流動(dòng)特性研究是可行的。最后把3種翅片在相同操作條件下的j因子和f因子進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn): 鋸齒翅片和波紋翅片的傳熱性能優(yōu)于平直翅片, 說(shuō)明改善換熱器換熱表面的幾何形狀對(duì)板翅式換熱器的性能影響至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)傳熱系數(shù),Nu數(shù)，壓降以及渦量分布的對(duì)比分析,結(jié)果表明:波紋翅片改變了流體的流向,增加了換熱面積,增強(qiáng)了流體擾動(dòng),由于漩渦的形成與分離,減薄或者破壞了熱邊界層的連續(xù)發(fā)展,使其換熱特性得到有效強(qiáng)化；同時(shí)也增大了阻力損失,但是換熱增加的幅度要大于阻力增加的幅度。在相同的模擬條件下,人字形翅片的換熱性能高于波浪形翅片,但是阻力損失卻相差不大,波浪形翅片在減少流動(dòng)損失方面沒(méi)有很大的優(yōu)勢(shì)。黃小輝、畢小平[26]等人通過(guò)建立一個(gè)板翅式機(jī)油散熱器冷卻空氣側(cè)波紋翅片通道的穩(wěn)態(tài)湍流數(shù)學(xué)模型。采用標(biāo)準(zhǔn) kε湍流模型和 SIMPLE 算法求解三維NavierStokes方程,模擬和分析了板翅式散熱器雙通道不同參數(shù)對(duì)翅片表面?zhèn)鳠崤c流動(dòng)阻力的影響，發(fā)現(xiàn)：阻力系數(shù)隨著進(jìn)口流速的增大而減小?？傊晒┦褂玫亩喾N翅形 j 因子和 f 因子數(shù)據(jù)已有不少，但可供設(shè)計(jì)計(jì)算使用的擬合關(guān)聯(lián)式卻很有限．因此，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)，流動(dòng)可視化技術(shù)和模擬測(cè)試來(lái)研究翅片換熱和流動(dòng)的本質(zhì)，并建立 j 因子和 f 因子數(shù)據(jù)庫(kù)將是今后十分重要的工作。(2)多數(shù)文獻(xiàn)中針對(duì)管排數(shù)較少的翅片管換熱器研究,而對(duì)多管排形式下的翅片管換熱器研究較少。然而實(shí)驗(yàn)只在一定范圍內(nèi)對(duì)換熱及肌力特性進(jìn)行研究,獲得具有很大局限性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式,對(duì)于多管排形式下的換熱器中各管區(qū)域的換熱特性不能進(jìn)行細(xì)致的研究。 直至目前，這一方法仍是所有各種管式換熱面強(qiáng)化傳熱方法中運(yùn)用的最為廣泛的一種。它不僅適用于單相流體的流動(dòng)，而且對(duì)相變換熱也有很大的價(jià)值。本方法適用于將該換熱器用于低溫制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器。當(dāng)蒸發(fā)器采用變翅片間距結(jié)構(gòu)時(shí)，實(shí)際上已構(gòu)成了翅片的錯(cuò)列分布，當(dāng)空氣橫掠錯(cuò)列翅片時(shí)，翅片的交錯(cuò)分布使得上游翅片對(duì)下游翅片有繞流作用，由于前面翅片的繞流，翅片的前半部分換熱加強(qiáng)，后面的翅片的分布又使得流道變窄，流速提高，翅片后半部分的換熱也得到強(qiáng)化。 加強(qiáng)管內(nèi)流體流動(dòng)，管內(nèi)壁加工變螺距內(nèi)螺紋。當(dāng)管內(nèi)工質(zhì)換熱系數(shù)較大而管外工質(zhì)換熱系數(shù)較小時(shí)，管外的對(duì)流傳熱熱阻將成為傳熱的主要阻力。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了針狀翅片、波紋翅片、百葉窗翅片、三角形翅片、單面開(kāi)槽條形片、裂齒矩形翅片等等。傳熱邊界層是限制傳熱系數(shù)提高的最主要因素，它產(chǎn)生于靠近管壁的層流底層，并有一個(gè)逐漸增厚的過(guò)程。同時(shí)溝槽和凸肋對(duì)流體的限流作用有助于邊界層的減薄，而繞流作用使流體產(chǎn)生軸向旋渦，可致使邊界層分離，流體主體徑向溫度梯度減小，有助于熱量傳遞的進(jìn)行。同時(shí)，因?yàn)椴捎米兟菥?，沿著流體流動(dòng)方向螺距從大變小，這樣可增強(qiáng)流體的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體的換熱系數(shù)。作為其中的關(guān)鍵部件，換熱器的性能與效率對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。最后考察了波紋形式、管排、翅片間距、波峰到波谷投射長(zhǎng)度和波峰到波谷高度對(duì)流動(dòng)換熱性能的影響。2. 根據(jù)設(shè)備中常見(jiàn)的整體式波紋翅片管尺寸結(jié)構(gòu)選取幾何模型，并使用GAMBIT軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域全流場(chǎng)及翅片內(nèi)部導(dǎo)熱區(qū)域進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，管子周?chē)傲黧w近翅片區(qū)域采用邊界層加密處理。3. 根據(jù)有限容積法的二階迎風(fēng)格式（Second Order Upwind）對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化，對(duì)離散后的控制方程設(shè)置邊界條件和初始條件，并采用標(biāo)準(zhǔn)的SIMPLE算法和穩(wěn)定的層流模型來(lái)求解壓力速度耦合問(wèn)題，對(duì)于翅片表面溫度分布，采用翅片導(dǎo)熱與流體對(duì)流換熱耦合求解。5. 對(duì)計(jì)算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進(jìn)行后處理，并對(duì)數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論，為工業(yè)應(yīng)用上波紋翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。本文的模型研究的問(wèn)題的難點(diǎn)在于：（1）空氣與翅片的交接面是導(dǎo)熱和對(duì)流的耦合面；（2）翅片的形