【正文】 究，同時(shí)針對(duì)翅片換熱器的發(fā)展形式，對(duì)小管徑和小結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進(jìn)行了研究，得出大量十分有價(jià)值的研究成果。指出在不同的雷諾數(shù)下，空氣側(cè)的換熱特性與翅片間距、 管排數(shù)和換熱管管徑有十分重要的關(guān)系 [11]。 平直翅片管數(shù)值研究進(jìn)展及成果 (1) Saboya 在研究此問(wèn)題時(shí)指出，邊界層的發(fā)展是制約單排管換熱特性的重要因素。 10 (2) Ricardo 也對(duì)板間的流體行為進(jìn)行了 3D 模擬。 (3) 宋富強(qiáng)對(duì)不同風(fēng)速下的傳熱機(jī)理進(jìn)行場(chǎng)協(xié)同數(shù)值研究，得到了 不同位置速度矢量與溫度梯度的協(xié)同程度，發(fā)現(xiàn)低流速時(shí)，全場(chǎng)的溫度梯度與速度協(xié)同程度好，因而換熱速率隨流速近線型增加，但管子背風(fēng)側(cè)的換熱強(qiáng)度較差。多排管束縱、橫向間距對(duì)傳熱的影響數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，傳熱隨著兩種間距的增大而減小，進(jìn)一步場(chǎng)協(xié)同原理總體平均分析表明，橫向管距越小，縱向管距越大，熱、流場(chǎng)總體協(xié)同性越好。 (5) 2020 年，何江海等 [15]對(duì)整體式平直翅片管換熱器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了氣流速分別為 ～ ，并由計(jì)算結(jié)進(jìn)一步得出不同來(lái)流速度時(shí)的空氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)與壓降的變化情況。根據(jù)得到的換熱器通道內(nèi)的傳熱與阻力特性 ，提出了可以通過(guò)控制宏觀流場(chǎng)來(lái)減阻強(qiáng)化傳熱的思想。 (8) 2020 年，馬挺、曾敏 [17]等數(shù)值模擬方法對(duì)平直翅片管燃?xì)鈧?cè)在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進(jìn)行了對(duì)比研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明：燃?xì)膺M(jìn)口溫度對(duì) Nu數(shù)影響較大，溫差對(duì)阻力系數(shù) f 影響較大，輻射對(duì) Nu數(shù)影響較 大，對(duì)阻力系數(shù) f 影響很小。 11 本文的主要研究?jī)?nèi)容 綜上所述，影響翅片的換熱及阻力特性因素眾多，翅片管式換熱器在制冷與空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。針對(duì)上述課題的意義、翅片管式換熱器的換熱特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬方面發(fā)展?fàn)顩r的分析，本課題應(yīng)用 商業(yè)軟件對(duì)平直翅片管式換熱器在充分發(fā)展流動(dòng)情況下 的傳熱性能和流動(dòng)阻力特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出平直翅片管式換熱器管排橫縱向間距、翅片間距、管排數(shù)和 Re 數(shù)等因素對(duì)換熱與阻力特性的影響，以此為工業(yè)上平直翅片表面換熱設(shè)備的選擇提供參考依據(jù)。 2. 根據(jù)空調(diào)設(shè)備中常見(jiàn)的整體式平直翅片管尺寸結(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)用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。在翅片管內(nèi)，管束繞流、管后漩渦是流體擾動(dòng)的主要特征，在漩渦區(qū)內(nèi)由于流體的緩慢流動(dòng)及主流體無(wú)法有效透過(guò)漩渦與壁面進(jìn)行熱交換，使該壁面處的換熱降到最低，同時(shí)循環(huán)漩渦增加了流動(dòng)阻力，但這種流體擾動(dòng)有時(shí)能夠引發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定，促使流動(dòng)在較低 Re 的下自身擾動(dòng)增強(qiáng)，從而使換熱性能大大提高，改善換熱性能，但同時(shí)流動(dòng)阻力也會(huì)相應(yīng)增加。 K)。幾何結(jié)構(gòu)如圖 21 和圖 22 所示： 圖 21 叉排布置的翅片管換熱器 圖 22 順 排布置的翅片管換熱器 13 計(jì)算區(qū)域的選取 在實(shí)際模擬計(jì)算中受到計(jì)算機(jī)軟硬件的限制和從計(jì)算效率方面的考慮，不對(duì)完整的換熱器建立計(jì)算模型，而對(duì)幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。這樣可以對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)節(jié)約了計(jì)算機(jī)資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。（如圖 24） 圖 23 計(jì)算區(qū)域選取示意圖 圖 24 平直翅片管式換熱器單元結(jié)構(gòu) 14 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè) 基本簡(jiǎn)化假設(shè)與定解條件 ① 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認(rèn)為翅片根部及翅 片翻邊部分溫度與鋁制管壁為恒壁溫條件 318 K，翅片表面溫度分布由翅片導(dǎo)熱及其與空氣對(duì)流換熱耦合求解得到； ② 空氣進(jìn)口溫度為 308 K； ③ 由于空氣在換熱器內(nèi)流速不高及翅片間隙很小，假設(shè)流動(dòng)為穩(wěn)定的層流； ④ 由于流動(dòng)過(guò)程中空氣的溫度變化不大，取空氣為常物性。 表 21 空氣物性參數(shù)（常物性） 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 密度ρ / kg s 10 5 比熱 Cp/ J K) 1 導(dǎo)熱系數(shù)λ / W K) 1 進(jìn)口流速 u / m控制方程如下： (1) 連續(xù)性方程，又稱(chēng)質(zhì)量方程，任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律。對(duì)于本文研究問(wèn)題可簡(jiǎn)化為： 15 0????????? zyxu ?? (2) 動(dòng)量方程，也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿(mǎn)足的基本定律。表示如下： (3) 能量方程，是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須滿(mǎn)足的基本定律。表示如下： ???????? ????????????????? 222222zTyTxTazTyTxTu ?? 其中： u、 v、 w 分別是速度矢量在 x、 y、 z 三個(gè)方向上的分量； 是密度； P 是作用 在微元體上的壓力； a 是熱擴(kuò)散率； T 是溫度。 S。m2) ； ? 空氣導(dǎo)熱系數(shù)， W/(K (4) 范寧阻力系數(shù)： Lu DePf 2max*2??? 其中：△ P流體進(jìn)出口壓降， Pa； τ w壁面剪應(yīng)力， N/m2； L翅片縱向長(zhǎng)度， S1。 (g (6) j 換熱因子： 31PrReNuj ? 其中： Pr普朗特?cái)?shù)， ??Cp?Pr 。邊界條件的具體確 17 定如下 (如圖 25 示 )： (1) 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認(rèn)為翅片根部及翅片翻邊部分溫度與鋁制管壁為恒壁溫條件 318K。 (4) 對(duì)于翅片表面，翅片溫度需要在計(jì)算中確定，因而是一個(gè)耦合求解換熱問(wèn)題。在 GAMBIT 中建立導(dǎo)熱與換熱混合邊界條件，用 Split Volume 工具得到 WallShadow 耦合邊界條件 (Coupled)，這種邊界條件可以實(shí)現(xiàn)流體和固體的耦合換熱。 (6) 對(duì)于翅片間距中剖面采用對(duì)稱(chēng)邊界條件 (Symmetry)。 圖 25 邊界條件設(shè)定圖 18 第三章 基于 Fluent 平直翅片管數(shù)值模擬及 CFD 簡(jiǎn)介 常用數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介 數(shù)值解法是一種離散近似的計(jì)算方法，依賴(lài)于物理上合理、數(shù)學(xué)上適用、適合于在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算的離散的有限數(shù)學(xué)模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只是有限個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，并有一定的計(jì)算誤差，但由于它在求解復(fù)雜微分方程時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，依然得到廣泛的應(yīng)用，并且通過(guò) CFD 軟件得以商業(yè)化運(yùn)行。其基本思想是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線的交點(diǎn)所組成的點(diǎn)的集合來(lái)代替，以 Taylor 級(jí)數(shù)展開(kāi)等方法，把描寫(xiě)所研究的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的偏微分方程中的每一個(gè)導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，其中包含了本節(jié)點(diǎn)及其附近一些節(jié)點(diǎn)上所求量的未知值。該方法是一種直接將微分 問(wèn)題變?yōu)榇鷶?shù)問(wèn)題的近似數(shù)值解法，數(shù)學(xué)概念直觀，表達(dá)簡(jiǎn)單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。其不足是離散方程的守恒特性難以保證，而最嚴(yán)重的缺點(diǎn)則是對(duì)不規(guī)則區(qū)域的適應(yīng)性差。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周?chē)幸粋€(gè)控制體積，將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。 有限容積法從描寫(xiě)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的守恒型控制方程出發(fā)，對(duì)它在控制容積上作積分，在積分過(guò)程中需要對(duì)界面上被求函數(shù)的本身（對(duì)流通量）及其一階導(dǎo)數(shù)的（擴(kuò)散通量）構(gòu)成方式作出假設(shè)，這就形成了不同的格式。 用有限容積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒性，對(duì)區(qū)域形狀的適應(yīng)性也比有限差分法要好，是目前應(yīng)用最普遍的一種數(shù)值方法。采用不同的權(quán)函數(shù)和插值函數(shù)形式，便構(gòu)成不同的有限元方法。在有限元方法中，把計(jì)算域離散剖分為有限個(gè)互不重疊且相互連接的單元，在每個(gè)單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來(lái)逼近 單元中的真解，整個(gè)計(jì)算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個(gè)單元基函數(shù)組成的，則整個(gè)計(jì)算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿(mǎn)足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿(mǎn)足。而有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極 其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿(mǎn)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(zhǔn)確的積分守恒。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并將其作為近似解。有限體積法只尋求的結(jié)點(diǎn)值，這與有限差分法相類(lèi)似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布，這又與有限單元法相類(lèi)似。因而針對(duì)上述常用的數(shù)值計(jì)算方法，從實(shí)施的難易 20 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(jì)算量相對(duì)較小。 [18] CFD 概述 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng) CFD）是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體 流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。其基本思想可以歸結(jié)為：把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)