【正文】 活性，能給出詳細和完整的資料，很容易模擬特殊尺寸、高溫、有毒、易燃等真實條件和實驗中只能接近而無法達到的理想條件。 CFD軟件介紹隨著計算機硬件和軟件技術的發(fā)展和數值計算方法的日趨成熟，出現了基于現有流動理論的商用CFD軟件。該軟件專門用來進行流場分析、流場計算、流場預測。通過CFD軟件，可以分析并且顯示發(fā)生在流場中的現象，在比較短的時間內，能預測性能，并通過改變各種參數，達到最佳設計效果。CFD的數值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產生的機理，為試驗提供指導，節(jié)省試驗所需的人力、物力和時間，并能夠對試驗結果的整理和得出規(guī)律起到很好的指導作用。CFD軟件的一般結構由前處理、求解器、后處理三部分組成（如圖31）。鑒于其多種優(yōu)點，目前利用GAMBIT和FLUENT進行工程計算和模擬已經越來越廣泛，其中本文就是基于Fluent軟件來進行研究的。圖31 CFD軟件的一般組成結構 FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介，繼PHOENICS軟件之后第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。其設計基于CFD軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復雜流動的物理現象，FLUENT軟件采用不同的離散格式和數值方法，以期在特定的領域內使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域的復雜流動計算問題。FLUENT集成的前處理軟件GAMBIT提供了靈活的網格特性，用戶可方便地使用結構網格和非結構網格對各種復雜幾何結構進行網格劃分。對于二維問題，可生成三角形單元網格和四邊形單元網格；對于三維問題，提供的網格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網格等。FLUENT還可根據計算結果調整網格，對網格進行整體或局部的細化和粗化，自適應網格就是計算到一定的步驟后 對初算結果進行分析，自動在速度、壓力等變化梯度比較大的地方增加網格密度，這樣使問題得到快速合理的解決，滑移網格采用在流體方向變化較大，如活塞運動的情況下，這時網格隨流動滑移，增加問題的收斂性及準確性。GAMBIT這種網格的自適應能力可以使網格的生成變得非常自由，并對于精確求解有較大梯度的流場有很實際的作用。目前利用GAMBIT和FLUENT進行工程計算和模擬已經越來越廣泛。 FLUENT程序結構FLUENT程序軟件包由以下幾個部分組成:(1) GAMBIT用于建立幾何結構和網格的生成；(2) FLUENT用于進行流動模擬的求解器；(3) prePoF由于模擬PDF燃燒過程；(4) Tgrid用于從現有的邊界網格生成體網格；(5) Filters(Translators) 轉換其它程序生成的網格，用于FLUENT計算。 利用FLUENT的求解步驟在使用FLUENT前，應針對所要求解的物理問題，制訂比較詳細的求解方案，應先考慮幾個主要因素，包括決定CFD模型目標、選擇物理模型和計算模型、決定求解過程。然后根據以下步驟進行求解計算：(1) 創(chuàng)建幾何模型及劃分區(qū)域網格（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；(2) 啟動FLUENT求解器；(3) 導入網格模型；(4) 檢查網格模型是否存在問題；(5) 選擇求解器及運行環(huán)境；(6) 決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相流等；(7) 設置材料特性及工質物性參數；(8) 設置邊界條件；(9) 調整用于控制求解的有關參數（松弛因子、收斂條件、求解算法）；(10) 設置特定監(jiān)測參量并初始化流場；(11) 開始求解計算；(12) 顯示求解結果；(13) 保存求解結果，以便用于后處理；(14) 如果有必要，自適應修改網格或計算模型，然后重復上述過程計算。 平直翅片管基于FLUENT數值模擬 計算區(qū)域網格的劃分數值模擬首先就要對計算區(qū)域進行離散化，即網格劃分。網格是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體，網格質量的好壞對仿真的精度及計算效率有重要的影響。為了簡化計算，本文由于幾何模型的對稱性，只取流動通道的一半來研究，這樣大大減少離散單元數目，節(jié)省計算所需內存和計算時間。本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進行網格生成。因為網格的正交性越好，計算越準確，越易收斂，而結構化網格可以很容易地實現區(qū)域的邊界擬合，網格生成的速度較快，質量較好，同時對于體劃分六面體結構簡單，計算容易收斂。鑒于平直翅片管通道流動的復雜性，本文在劃分時大都為六面體網格，并采用分塊劃分和邊界層加密等方法進行局部加密，具體劃分如下（圖32，33，34）：(1) 對于進出口延長區(qū)，由于是規(guī)則的矩形通道，采用Map方法劃分規(guī)則的結構性六面體網格。(2) 對于管子周圍及近翅片等流動參數變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密。(3) 對于翅片區(qū)域，由于幾何結構的不規(guī)則性，采用MapPave/Tri生成混雜網格來適應管子的圓弧邊界，提高網格質量。(4) 對翅片區(qū)域全流場采用Cooper方法生成六面體網格，網格單元數控制在200000以內。圖32 網格劃分示意圖圖33 翅片表面部分網格劃分圖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。通常隱式算法的計算收斂速度是顯式的2倍，而需要的內存也需相應增加1倍；非耦合算法比耦合算法需要的內存少，并且求解過程中靈活性好，但求解精度較低，但非耦合求解方法主要用于不可壓縮或低馬赫數壓縮性流體的流動。由于本文計算受個人PC機計算資源的限制，故采用默認的非耦合隱式算法求解，精度為單精度。 控制方程的離散及收斂標準本文研究為不可壓縮空氣穩(wěn)態(tài)的層流流動，對于控制方程的離散：連續(xù)性方程采用Standard格式，動量方程和能量方程均采用二階迎風差分格式（Second Order Upwind），并選擇標準的Simple算法求解壓力速度耦合問題。對于收斂準則設定，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,并檢驗流體進出換熱單元的總體質量平衡達1010量級。給定不同的進口速度(～ m/s)，在 PC機上借助FLUENT軟件,分別計算分析傳熱及阻力。第四章 平直翅片管數值計算結果及數據分析本章的主要內容是顯示借助FLUENT軟件對平直翅片管模型進行數值模擬的計算結果，給出流場、溫度場及速度場的分布云圖，并計算努賽爾數Nu、阻力系數f。然后分析雷諾數Re、幾何結構參數等因素對換熱系數h、流動壓降△P的影響，得出結論。 迭代殘差圖 雷諾數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，通過改變進口來流速度來變化雷諾數的大小，分析不同雷諾數下平直翅片管的換熱與阻力特性。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s、對應雷諾數變化范圍約1000～2450。 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。在管道附近，受壁面影響，速度梯度最大。在管子的前額處，流體受管子阻礙而滯止，速度降為零。由圖443看出，當雷諾數Re較小時，流體緩慢的繞過管子不會發(fā)生脫體，而隨著雷諾數增大到一定值，近壁處的流體受壁面影響由于動量不大，由于邊界層厚度的增加，速度降為零發(fā)生回流，形成繞流脫體現象，并在管后形成滯止漩渦。 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，由于管子迎風側流動滯止及背風面脫體漩渦的存在，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，導致此處空氣溫度明顯高于周圍區(qū)域。通道中部溫度漸變發(fā)展，并可以明顯看到管后方的尾流區(qū)，該區(qū)域溫度梯度較大。同時出口溫度隨流速的增大而減小。圖44為由耦合求解得到的翅片表面溫度分布，可以看出壁面溫度保持在318K，基本維持恒壁溫。 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。而在管后壓力變化平坦。 雷諾數Re與Nu關系圖48 Re數與Nu 數關系圖由上圖48示ReNu關系看出，隨流速的增大，Nu與Re呈線性關系增加，換熱增強。同時，由速度場和溫度場可以看出，由于管子前額邊界層較薄，熱阻較小，且溫度梯度大，故平直翅片管換熱主要集中在管道的迎風面，翅片的前緣效應使得傳熱得到強化。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，因而要強化翅片管換熱性能，應從充分利用翅片管的前緣效應和改善管后滯止渦流的換熱特性入手。 雷諾數Re與阻力系數f關系圖49 Re數與阻力系數f關系圖隨著流速的增加，流動通道內的平均速度梯度也會增大，流體的粘性力也會增大，故流動阻力隨流速增加而增加。由上圖Ref關系看出，隨Re增大，阻力系數減小并逐漸趨于平緩。 雷諾數Re與綜合性能指數j/f的關系圖410 Re數與綜合性能指數j/f關系圖由上圖可以看出，在研究范圍內，綜合性能指數j/f隨雷諾數的增大而逐漸降低的，表明隨著流速的增加，空氣流動的換熱增強，同時流動阻力也增大，但換熱性能增加的要大，翅片管流動與換熱的綜合性能變好。 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下翅片間距對翅片管換熱與阻力特性的影響。 m/s、 m/s、 m/s、 m/s，。 翅片間距對換熱性能的影響圖411 不同翅片間距下u與h關系圖上圖顯示出不同翅片間距下，總換熱系數h隨來流速度u的變化關系。計算表明：翅片間距對換熱性能的影響與雷諾數有關，當空氣進口速度u（對應Re數在1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱能力是逐漸降低的；當u（Re1550～1800范圍）時，隨翅片間距的增加，換熱逐漸增強。這種變化特性與翅片間的流動情況有關。分析原因如下：平直翅片管翅片側的流動情況十分復雜，流動形式主要是邊界層流動和漩渦流。在Re較大時，漩渦流對換熱的影響較大，區(qū)域越寬，強化換熱作用越大，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。間距越小，渦流運動空間就越小，受壁面粘性阻力影響，速度減小越快，換熱減弱，故Re較大時，翅片間距越大，換熱性能越好。當Re數較小時，邊界層流動對換熱起主要作用，此時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。 翅片間距對壓降特性的影響圖413 不同翅片間距下Re與f關系圖圖412 不同翅片間距下速度與壓降關系圖 圖412顯示出不同間距下，空氣進出口壓降與來流速度u的關系，明顯看出：隨翅片間距的減小，流動壓降逐漸增大，且隨著雷諾數的增大，流動阻力增加的幅度也在增加。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。從圖413看出，在相同雷諾數Re下，翅片間距越小，阻力系數越大，尤其是在低雷諾數下，翅片間距對摩擦系數的影響較大，隨著雷諾數的增大，摩擦系數下降幅度減小。 管排數對平直翅片管換熱與壓降特性的影響本節(jié)對不同管排數的翅片管束進行數值模擬，分析其對換熱與阻力特性的影響。排數取為4排。 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排管內流線圖圖416 2排管內速度分布圖 圖419 4排管流道內速度分布圖圖418 4排管流道內壓力分布圖 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。其中，由圖417看出，每排管后都存在明顯的渦流，且該區(qū)域溫度很高。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。由圖415和圖418得，管子前緣壓力梯度較大，后緣區(qū)壓力變化都較平緩，主要由于：一方面流速降低會使靜壓增大，而另一方面由于壁面剪切力會使壓力降低。同時，4排的出口壓力明顯低于2排管。 管排數對換熱特性的影響圖420 不同管排流道內uh關系圖由上圖得，在雷諾數Re=750～1700的研究范圍內，單排管的換熱性能明顯好于雙排管。分析原因，在雷諾數較小的范圍內，流體流經第一排管子時，由于開始邊界層較薄，換熱較強，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)向下游運動到達第二排管時，再次因前緣效應而換熱增強，并發(fā)生第二次繞流脫體，但由于尾跡區(qū)速度較小，導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。 管排數對壓降特性的影響圖421 不同管排流道內速度與壓降關系圖由上圖明顯看出，隨著流動方向管排數的增加，空氣進出口壓降呈指數增大，且流速較小時，不同管排數壓降相差較小，隨著流速的增加，不同管排的空氣側阻力相差也變大。 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調速度場與溫度場的協同性，提高換熱器流動與化熱綜合性能。本節(jié)針對不同橫向間距的翅片管，來分析其對換熱與阻力性能的影響。其中，橫向間距S2/、D為管道外徑10mm。 不同橫向間距的管排內流場分布圖423 圖422 圖425 圖424 圖426 圖427 以上為翅片管橫向間距/、壓力、速度場分布圖。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。 橫向間距對換熱性能的影響圖428 不