【正文】 存在問題；(5) 選擇求解器及運(yùn)行環(huán)境；(6) 決定計(jì)算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相流等；(7) 設(shè)置材料特性及工質(zhì)物性參數(shù)；(8) 設(shè)置邊界條件；(9) 調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)（松弛因子、收斂條件、求解算法）；(10) 設(shè)置特定監(jiān)測參量并初始化流場；(11) 開始求解計(jì)算；(12) 顯示求解結(jié)果；(13) 保存求解結(jié)果，以便用于后處理；(14) 如果有必要，自適應(yīng)修改網(wǎng)格或計(jì)算模型，然后重復(fù)上述過程計(jì)算。網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞對仿真的精度及計(jì)算效率有重要的影響。本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格生成。鑒于平直翅片管通道流動的復(fù)雜性，本文在劃分時(shí)大都為六面體網(wǎng)格，并采用分塊劃分和邊界層加密等方法進(jìn)行局部加密，具體劃分如下（圖32，33，34）：(1) 對于進(jìn)出口延長區(qū)，由于是規(guī)則的矩形通道，采用Map方法劃分規(guī)則的結(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格。(3) 對于翅片區(qū)域，由于幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，采用MapPave/Tri生成混雜網(wǎng)格來適應(yīng)管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量。圖32 網(wǎng)格劃分示意圖圖33 翅片表面部分網(wǎng)格劃分圖34 近翅片區(qū)域采用邊界層加密 求解器的選擇FLUENT在求解器算法上有四種選擇：即非耦合顯式、耦合顯式、非耦合隱式和耦合隱式。由于本文計(jì)算受個(gè)人PC機(jī)計(jì)算資源的限制，故采用默認(rèn)的非耦合隱式算法求解，精度為單精度。對于收斂準(zhǔn)則設(shè)定，方程組殘差收斂控制條件為：動量方程為110連續(xù)性方程為110能量方程為1107,并檢驗(yàn)流體進(jìn)出換熱單元的總體質(zhì)量平衡達(dá)1010量級。第四章 平直翅片管數(shù)值計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析本章的主要內(nèi)容是顯示借助FLUENT軟件對平直翅片管模型進(jìn)行數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，給出流場、溫度場及速度場的分布云圖，并計(jì)算努賽爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f。 迭代殘差圖 雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)針對單排平直翅片管，通過改變進(jìn)口來流速度來變化雷諾數(shù)的大小，分析不同雷諾數(shù)下平直翅片管的換熱與阻力特性。 速度場分布圖41 圖43 圖42 ，明顯看出由于流動受到管子的阻礙，流動截面縮小，使流速增加。在管子的前額處，流體受管子阻礙而滯止，速度降為零。 溫度場分布圖44 翅片表面溫度分布 圖46 圖45 圖446 為平直翅片管通道內(nèi)流動空氣的溫度分布，從翅片間距中剖面的溫度分布可以看出，由于管子迎風(fēng)側(cè)流動滯止及背風(fēng)面脫體漩渦的存在，使空氣流速緩慢，而在管子后部因邊界層脫離而形成的尾流區(qū)，存在穩(wěn)定的漩渦，部分空氣無法被主流帶走，被加熱到與翅片溫度基本相同，導(dǎo)致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。同時(shí)出口溫度隨流速的增大而減小。 壓力場分布圖47 由圖47可以看出，流體壓力沿流向逐漸降低，并且在管子周圍處，由于邊界層影響，壓力梯度最大，下降最快。 雷諾數(shù)Re與Nu關(guān)系圖48 Re數(shù)與Nu 數(shù)關(guān)系圖由上圖48示ReNu關(guān)系看出，隨流速的增大，Nu與Re呈線性關(guān)系增加，換熱增強(qiáng)。而管后渦流區(qū)流動滯止，使得管子后面的翅片面積換熱不能得到有效的利用，因而要強(qiáng)化翅片管換熱性能，應(yīng)從充分利用翅片管的前緣效應(yīng)和改善管后滯止渦流的換熱特性入手。由上圖Ref關(guān)系看出，隨Re增大，阻力系數(shù)減小并逐漸趨于平緩。 翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)研究對象為單排平直翅片管，通過改變翅片間距來分析不同雷諾數(shù)下翅片間距對翅片管換熱與阻力特性的影響。 翅片間距對換熱性能的影響圖411 不同翅片間距下u與h關(guān)系圖上圖顯示出不同翅片間距下，總換熱系數(shù)h隨來流速度u的變化關(guān)系。這種變化特性與翅片間的流動情況有關(guān)。在Re較大時(shí)，漩渦流對換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強(qiáng)化換熱作用越大，而翅片間距的大小主要反映在翅片對漩渦流的抑制作用的程度。當(dāng)Re數(shù)較小時(shí)，邊界層流動對換熱起主要作用，此時(shí)翅片間距減小使上下翅片壁面的邊界層相互干擾，換熱增強(qiáng)。這主要由于間距越小，流動通道變小，流體受壁面粘性力越大，因而阻力增加。 管排數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)對不同管排數(shù)的翅片管束進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其對換熱與阻力特性的影響。 多排管束的流場分布圖415 2排管流道壓力分布圖圖414 2排管流道溫度分布圖 圖417 2排管內(nèi)流線圖圖416 2排管內(nèi)速度分布圖 圖419 4排管流道內(nèi)速度分布圖圖418 4排管流道內(nèi)壓力分布圖 上圖中分別給出2排、4排叉排管束模擬流動的溫度場、速度場和壓力場。由圖416和圖419的速度分布看出，最大速度梯度都分布在每排管子的前緣，且對于2排管，最大流速在第二排管處，對于4排管，最大流速在第四排管處。同時(shí)，4排的出口壓力明顯低于2排管。分析原因，在雷諾數(shù)較小的范圍內(nèi)，流體流經(jīng)第一排管子時(shí)，由于開始邊界層較薄，換熱較強(qiáng)，但隨邊界層的發(fā)展很快下降，隨后發(fā)生繞流脫體使換熱再次增加，而管后的尾跡區(qū)換熱很差，隨著流動向下發(fā)展，漩渦流繼續(xù)向下游運(yùn)動到達(dá)第二排管時(shí)，再次因前緣效應(yīng)而換熱增強(qiáng)，并發(fā)生第二次繞流脫體，但由于尾跡區(qū)速度較小，導(dǎo)致第二排管的換熱要弱于前排管束，因而總體換熱性能，單排管要優(yōu)于雙排。 管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響管排間距直接影響了流體通道內(nèi)溫度場和速度場分布，對換熱與阻力特性有重要影響，合理布置管排能更好地協(xié)調(diào)速度場與溫度場的協(xié)同性，提高換熱器流動與化熱綜合性能。其中，橫向間距S2/、D為管道外徑10mm。明顯看出，隨著間距增大，兩排管中間區(qū)域流道變寬，速度、壓力變化較為平緩，分布更加均勻，利于流體流動。 橫向間距對壓降性能的影響圖429 不同橫向間距速度與壓降關(guān)系圖由上圖u△P關(guān)系看出，隨著管排橫向間距的增大，壓降略微降低，流動阻力減弱，且隨著流速的增大，不同間距的壓降相差增加，但差別不大，說明在流速較?。≧e數(shù)范圍600～1700）時(shí)橫向間距對管排阻力特性影響不大。其中縱向間距S1/、D為管徑10mm?？梢灾庇^看出隨翅片管縱向間距增大，流場分布更加均勻，流道內(nèi)速度、壓力變化平緩，流動特性較好。但整體來看，換熱系數(shù)下降幅度很小，縱向間距對翅片管換熱性能影響不大。這主要是由于增大管排縱向間距后，流道寬度增加，減小了管列之間的脈動影響，從而利于流動的自由發(fā)展，也就大大減少了流動阻力。其中，模型選取為：，橫線間距為16mm，管徑D取10mm。對比流線圖看出，順排管束前后兩排管的尾流區(qū)連接在一起，形成了管徑寬度的尾流通道，使管后滯止渦流的死區(qū)面積比叉排管要大，這對整體翅片管的換熱性能有不良影響。 順排、叉排方式壓降特性的差異分析圖447 不同管排方式速度與壓降圖由上圖速度壓降關(guān)系圖可知，相同幾何參數(shù)及來流速度情況下，叉排管壓降明顯大于順排，表明叉排阻力要大，這與叉排管內(nèi)流體的擾動強(qiáng)于順排，順排管內(nèi)的速度、壓力分布更均勻的實(shí)驗(yàn)情況是相符的。因此研究提高翅片管式換熱器換熱效率的方法，使換熱系統(tǒng)裝置尺寸減小、能耗降低、換熱增強(qiáng)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。(2) 對于平直翅片管換熱器，隨著雷諾數(shù)Re增大，Nu數(shù)增加，換熱能力增強(qiáng)，同時(shí)流動阻力也在增加，阻力系數(shù)f隨著雷諾數(shù)Re的增大，逐漸平緩。因此，要強(qiáng)化翅片管換熱，充分利用管子前緣效應(yīng)和改善管后流動分布與換熱性能是行之有效的方法。同時(shí)，翅片間距減小，流動阻力增大，阻力系數(shù)減小，并隨雷諾數(shù)的增加，趨勢變緩。(5) 對于管排橫向間距，橫向間距越大，空氣漩渦流擾動減弱，換熱能力減弱，阻力略微下降，但影響不大。而流道寬度隨間距增大而增加，使流體更易自由流動，流動阻力下降。參考文獻(xiàn)1. 許偉，閔敬春．幾種典型翅片傳熱及阻力特性的數(shù)值研究與分析[D]．北京：清華大學(xué)，2005：24．2. 李祥華，宋光強(qiáng)．幾種新型換熱器的特點(diǎn)及使用狀況對比[J]．化肥工業(yè)．2001，9(1)：7880．3. 劉衛(wèi)華．百葉窗型和波形管片式換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)．1996，9（2）：4953．4. 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，2003，15．5. 鹿世化．一種翅片管換熱器內(nèi)部流場的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)能動學(xué)院，2007，25．6. 陶文銓．計(jì)算流體力學(xué)與傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：1991．47．7. 陶文銓．計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展[M]．北京：科學(xué)出版社：2000．68．8. 陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社：2001．1518．9. 劉建，魏文建，丁國良．翅片管式換熱器換熱與壓降特性的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]．制冷學(xué)報(bào)．2003，(3)：2530．10. 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