平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)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(guó)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(wèn)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(dú)立工作的能力。2、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(jiàn)。通常管子以叉排和順排

2、兩種方式排列，且流動(dòng)換熱在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)各不相同，其流場(chǎng)與溫度場(chǎng)可用周期性的流動(dòng)與換熱模型進(jìn)行模擬，具體問(wèn)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(dòng)，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，計(jì)算區(qū)域的物理模型取整個(gè)寬度的一半、間距的一半來(lái)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(lái)界定。所以，本文僅取一個(gè)單元周期區(qū)域研究即可（見(jiàn)圖中虛線(xiàn)所圍部分）。假設(shè)流動(dòng)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(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流且已進(jìn)入周期性充分發(fā)展段。翅片管基本尺寸保持翅片厚度為0.2mm，管徑10cm，翅片間距為1.6mm，管排縱向間距為22mm，橫向

3、間距為16mm?？諝馕镄詤?shù)為：，管外壁面溫度恒定：。計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容：通過(guò)對(duì)富氧燃燒技術(shù)的認(rèn)識(shí)，了解該技術(shù)對(duì)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(duì)電站鍋爐的影響，能夠提出解決一些問(wèn)題的方案或者建議。第一部分 緒論第二部分 平直翅片管換熱流動(dòng)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(dòng)特點(diǎn)，描述了本文所研究對(duì)象的構(gòu)建及計(jì)算區(qū)域的選取，并討論了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法及模型計(jì)算定解條件的確定。第三部分 平直翅片管數(shù)值模擬及cfd簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)法、分析法和數(shù)值解法各自的優(yōu)勢(shì)；描述了cfd理論思想基本概況、利

4、用gambit對(duì)計(jì)算區(qū)域離散的方法及fluent數(shù)值算法的選取。第四部分 翅片管數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析該部分主要針對(duì)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(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)）進(jìn)行顯示、并對(duì)數(shù)據(jù)整理，分析其各因素對(duì)翅片管換熱與阻力特性的影響。第五部分 結(jié)論學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文）：畢業(yè)設(shè)計(jì)一份主要參考文獻(xiàn)（資料）：1. 李祥華，宋光強(qiáng)幾種新型換熱器的特點(diǎn)及使用狀況對(duì)比j化肥工業(yè)2001，9(1)：78-802. 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）：49-533. 孟繼安基于場(chǎng)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，

5、2003，1-54. 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：19914-75. 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(shí)驗(yàn)研究j西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)1994，28(1)：91-986. 柳飛，何國(guó)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)：30-337. 宋富強(qiáng)，屈治國(guó)，何雅玲等低速下空氣橫掠翅片管換熱規(guī)律的數(shù)值模擬j西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)2002，36(9)：899-9028. 徐百平，江楠等平直翅片管翅式換熱器減阻強(qiáng)化傳熱數(shù)值模擬j石油煉制與化工2006，9(37)：45-499. 屈治國(guó)，何雅玲，陶文銓平直開(kāi)縫翅片傳熱特性的三維數(shù)值模擬及場(chǎng)

6、協(xié)同原理分析j工程熱物理學(xué)報(bào)2003，5(24)：826-82910. 劉建，魏文建，丁國(guó)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)：25-30專(zhuān)業(yè)班級(jí) 熱能0703 班 學(xué)生 張 謙 要求設(shè)計(jì)（論文）工作起止日期 2011年3月14日至2011年6月18日 指導(dǎo)教師簽字 日期 2011年3月10日 教研室主任審查簽字 日期 2011年3月10日 系主任批準(zhǔn)簽字 日期 2011年3月10日 平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究摘 要平直翅片管式換熱器作為熱力系統(tǒng)和制冷空調(diào)裝備中的一個(gè)重要部件，對(duì)其換熱性能的研究一直是科研人員熱衷的課題。盡管它在結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱強(qiáng)度和

7、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(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，仍在能源、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。因而，對(duì)其翅片管束通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的研究具有十分重要的意義。本文針對(duì)平直翅片管內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)，主要對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行研究：簡(jiǎn)單概述平直翅片管研究的動(dòng)態(tài)及現(xiàn)狀，并在對(duì)比分析對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管建立物理模型，并通過(guò)fluent6.2軟件對(duì)其翅片管通道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)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(dòng)參

8、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(duì)平直翅片管流動(dòng)與換熱性能的影響，探討不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的流動(dòng)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(jì)和改進(jìn)、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。關(guān)鍵字：數(shù)值模擬；平直翅片；層流流動(dòng)；流動(dòng)換熱numerical study on heat transfer and pressure drop characteristics of plain-finned tubeabstractas plain-finned tube is an important component for thermal systems and re

9、frigeration and air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researchersalthough its compact structure，heat transfer efficiency are lower than plate or plate-fin heat exchangers，plain-finned tube heat exchangers have also being widely used in the

10、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 selectionthus，studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significanceaim at the fl

11、ow characteristics of plain-finned tube，this paper will study the followings：simplely overview the study progress and present stuation of plain-finned tube，and on the basis of comparative analysis the goods and bads of three research methods：experimental，analysis and numerical methodwe determine use

12、 gambit-software to bilud physical model for different size tube structures，and use fluent6.2-software to study the flow in the finned tube channel，then calculate the relationship between re and nu number，f(resistance cofficient)，and analyze re，fin-pitchnumber of tube rows，row spacing of fin tube(ho

13、rizontal spacing and vertical spacing)，the impact on the plain-finned tubes flow and heat transfer performance，so as to provide a theoretical basis for the disgn，improvementand optimization of plain-finned tude heat exchangerskey words: numerical simulation；plain-fin；laminar flow；heat transfer目 錄摘 要

14、iabstractii第一章 緒論11.1課題背景及研究意義11.2翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法41.3平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果71.4本文的主要研究?jī)?nèi)容11第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析122.1平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)程的描述122.2平直翅片管換熱器物理模型的建立122.3平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè)14第三章 基于fluent平直翅片管數(shù)值模擬及cfd簡(jiǎn)介183.1常用數(shù)值計(jì)算方法簡(jiǎn)介183.2cfd概述203.3fluent軟件概述及gambit簡(jiǎn)介223.4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(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析274.1迭代殘差圖27

15、4.2雷諾數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響274.3翅片間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響324.4管排數(shù)對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響334.5管排橫向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響354.6管排縱向間距對(duì)平直翅片管換熱與壓降特性的影響384.7管排方式對(duì)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1.1 課題背景及研究意義1.1.1 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(kāi)始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進(jìn)技術(shù)。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(lái)傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來(lái)保護(hù)高溫部件的安全運(yùn)行，以及用最高效

16、率來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的有效利用。正因?yàn)槿绱藗鳠釓?qiáng)化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，無(wú)論在動(dòng)力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程領(lǐng)域，還是航空航天、電子、核能等高技術(shù)領(lǐng)域，都不可避免的涉及熱量的傳遞及其強(qiáng)化問(wèn)題。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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占30%40%；在制冷機(jī)組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機(jī)組總重量的30%40%，動(dòng)力消耗占總值的20%30%；在熱電廠中，如果將鍋爐也視作換熱設(shè)備，則換熱器的投資約占整個(gè)電廠總投資的70%左右2。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)于整個(gè)企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動(dòng)力消耗有著重要影響。近十幾年來(lái)，世

17、界面臨著能源短缺的局面，為緩和能源緊張的狀況，世界各國(guó)競(jìng)相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個(gè)重要課題。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(shì)在必行，正是出于這種目的，許多學(xué)者對(duì)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(lái)節(jié)約能源。換熱設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)和改進(jìn)對(duì)節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強(qiáng)化換熱對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。強(qiáng)化傳熱是實(shí)現(xiàn)換熱器高效、緊湊換熱的主要途徑，其基本元件的開(kāi)發(fā)研究一直備受關(guān)注，各種行業(yè)對(duì)強(qiáng)化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來(lái)，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(jì)的傳熱面

18、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(yùn)行時(shí)的動(dòng)力消耗；(5) 提高換熱器的換熱器能力，同時(shí)使得增加的阻力不至于太大。其中，方法(5)是一種嶄新的強(qiáng)化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強(qiáng)化換熱的方法會(huì)明顯帶來(lái)流動(dòng)阻力的大幅增加，而很多時(shí)候阻力增加的代價(jià)是大于換熱增加帶來(lái)的效益的，出現(xiàn)這種情況就會(huì)得不償失了。方法(5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動(dòng)阻力這兩者之間做一個(gè)較好的權(quán)衡，起到減阻強(qiáng)化傳熱的效果3。不同的強(qiáng)化傳熱技術(shù)可滿(mǎn)足不同的要求，如減少初次傳熱面積以減小換熱器的體積和重量，或提高換熱器的換熱能力，或增大換熱溫差，或

19、減少換熱器的動(dòng)力消耗。這幾個(gè)目的不可能同時(shí)滿(mǎn)足，因?yàn)樗鼈兪窍嗷ブ萍s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(duì)設(shè)備體積、重量、投資及操作費(fèi)用進(jìn)行綜合平衡4。現(xiàn)在，對(duì)傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強(qiáng)化換熱研究主要集中在三大方向上1：一是開(kāi)發(fā)新的換熱器品種，如板式、螺旋板式、振動(dòng)盤(pán)管式、板翅式等等，這些換熱器設(shè)計(jì)思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對(duì)傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強(qiáng)化措施。具體說(shuō)來(lái)，就是用各種異型管取代原來(lái)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(shuō)按照能量的品味逐級(jí)利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實(shí)

20、現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。無(wú)論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來(lái)強(qiáng)化傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進(jìn)，但這些方法有許多缺點(diǎn)，例如換熱管的加工制作工藝過(guò)于復(fù)雜，增加金屬消耗量從而增加換熱器重量，又易于造成管子堵塞，換熱能力增強(qiáng)的同時(shí)，阻力也相對(duì)增大許多，從而造成運(yùn)行成本的提高等。因此，它們?cè)趶?qiáng)化效果、加工造價(jià)、流道通暢、使用壽命、流動(dòng)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。1.1.2 翅片管換熱器強(qiáng)化傳熱技術(shù)在強(qiáng)化傳熱方法研究中，換熱器氣體側(cè)的傳熱熱阻是提高換熱器傳熱效果的主要障礙。對(duì)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)，

21、即層流或湍流。在層流對(duì)流換熱情況下，流體速度和溫度呈拋物線(xiàn)分布，從流體核心到壁面都存在速度和溫度的梯度，因此對(duì)層流換熱所采取的強(qiáng)化措施是使流體產(chǎn)生強(qiáng)烈的徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進(jìn)而強(qiáng)化層流換熱。在湍流對(duì)流換熱情況下，由于流體核心的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)都已經(jīng)比較均勻，對(duì)流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對(duì)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。但由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。所以，此時(shí)采用增強(qiáng)流體擾動(dòng)，提高換熱系數(shù)的方法對(duì)空氣側(cè)換熱效

22、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。采用附加表面來(lái)增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場(chǎng)的分布就是強(qiáng)化空氣側(cè)換熱最常用的手段之一，翅片管換熱器（如圖1-1）就是基于上述原理制造出來(lái)的。圖1-1 翅片管式換熱器實(shí)物模型翅片的發(fā)展主要分為三個(gè)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。其中，連續(xù)型翅片包括平直型、波紋型等翅片；間斷型翅片包括百葉窗翅片、錯(cuò)位翅片等；帶渦流發(fā)生器翅片主要是通過(guò)渦流發(fā)生器產(chǎn)生橫向渦和縱向渦來(lái)使換熱強(qiáng)化。雖然翅片類(lèi)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(cuò)齒翅片和百葉窗翅

23、片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡(jiǎn)單方便、 運(yùn)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。平直翅片管（圖1-4）換熱器具有良好的傳熱性能和低阻力性能，其在制冷、空調(diào)、化工、電子微器件散熱（如cpu熱管式散熱器-圖1-2和1-3）等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用7。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(dòng)，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。 圖1-3 10熱管穿fincpu散熱器圖1-2 忍者i代塔式穿fin散熱器圖1-4 平直翅片管模型研究發(fā)現(xiàn)，翅片管式換熱器管內(nèi)熱阻與銅管翅片的接觸熱阻及管

24、外空氣側(cè)的熱阻比為2175?？梢?jiàn)管外翅片的換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(wèn)題。翅片管式換熱器是一種在制冷、空調(diào)、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的一種換熱器形式，對(duì)它的研究不僅有利于提高換熱器的換熱效率和整體系統(tǒng)性能，而且對(duì)改進(jìn)翅片換熱器的設(shè)計(jì)型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導(dǎo)意義。1.2 翅片管強(qiáng)化傳熱的數(shù)值解法隨著高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及湍流模型的不斷發(fā)展與完善，使用電子計(jì)算機(jī)作為模擬和實(shí)驗(yàn)的手段成為可能，從而可以用數(shù)值方法來(lái)求解流體力學(xué)和傳熱學(xué)中的各種各樣的問(wèn)題。數(shù)值傳熱學(xué)（numerical heat

25、transfer，nht）又稱(chēng)計(jì)算傳熱學(xué)（computational heat transfer，cht）是指對(duì)描寫(xiě)流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的控制方程采用數(shù)值方法通過(guò)計(jì)算機(jī)予以求解的一門(mén)傳熱學(xué)與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學(xué)科。數(shù)值傳熱學(xué)求解問(wèn)題的基本思想是：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)（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)（稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)，node）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)上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱(chēng)為離散方程，discretization equation），求解所建立起來(lái)的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值8。上述基本思想可以用圖1-5來(lái)表示。由于翅片管結(jié)構(gòu)及

26、各種工況因素對(duì)換熱效果的影響十分復(fù)雜，以解析方法及實(shí)驗(yàn)方法為主要研究方法都不能滿(mǎn)足研究的需要，而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算傳熱學(xué)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文將針對(duì)平直翅片管對(duì)換熱特性與流動(dòng)阻力的影響利用商業(yè)軟件fluent6.2進(jìn)行數(shù)值模擬。與實(shí)驗(yàn)研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)9：圖1-5 工程物理問(wèn)題數(shù)值計(jì)算的一般步驟(1) 經(jīng)濟(jì)性好。運(yùn)用計(jì)算機(jī)的數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的最重要優(yōu)點(diǎn)是它的成本低。在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的成本要比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究的成本低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展（處理器運(yùn)算速度的提高，硬件成本的下降），它在科學(xué)研究的重要性將越來(lái)越突

27、出。(2) 研究周期短。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和研究能以及其驚人的速度進(jìn)行。一個(gè)設(shè)計(jì)者能夠在一天之內(nèi)研究出多種方案，并從中選擇最佳的設(shè)計(jì)，而相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究卻需要很長(zhǎng)的時(shí)間。(3) 數(shù)據(jù)完整。對(duì)一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。它能夠提供在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)所有的有關(guān)變量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的值。與實(shí)驗(yàn)的情況不同，在計(jì)算中幾乎沒(méi)有不能達(dá)到的位置。(4) 具有模擬理想條件的能力。人們有時(shí)為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實(shí)現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動(dòng)充分發(fā)展等等，在數(shù)值計(jì)算中很容易實(shí)現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實(shí)驗(yàn)中卻很難近似到這種理想化的條件。數(shù)值計(jì)算方法的這些優(yōu)點(diǎn)

28、使人們熱衷于計(jì)算機(jī)的分析，但是它也有一些局限性。因?yàn)榻Y(jié)果的準(zhǔn)確度是由數(shù)學(xué)模型的精度和數(shù)值方法共同決定，因此數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法必須都具有良好的完善性，而且對(duì)于十分復(fù)雜的問(wèn)題，數(shù)值解目前也很難獲得。雖然在某些研究領(lǐng)域中，目前數(shù)值計(jì)算幾乎已取代了實(shí)驗(yàn)研究，但在流體力學(xué)與傳熱學(xué)的領(lǐng)域中，實(shí)驗(yàn)研究、理論分析與數(shù)值計(jì)算這三種研究手段則是相輔相成、互為補(bǔ)充的。理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見(jiàn)，可以為檢驗(yàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度提供擬合參照的依據(jù)，是指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證新的數(shù)值計(jì)算方法的理論基礎(chǔ)。但是，它往往要求對(duì)計(jì)算對(duì)象進(jìn)行抽象和簡(jiǎn)化，才有可能得出理論解。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法是研究流動(dòng)與傳熱

29、問(wèn)題的最基本的方法，它所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是真實(shí)可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，一方面補(bǔ)充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，另一方面為工程設(shè)計(jì)人員提供新的技術(shù)支持，同時(shí)還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)改進(jìn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因而其重要性不容低估。然而，實(shí)驗(yàn)往往受到模型尺寸、流場(chǎng)擾動(dòng)、人身安全和測(cè)量精度的限制，有時(shí)可能很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法得到結(jié)果10。而數(shù)值求解(cfd)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)特定的計(jì)算，就好像在計(jì)算機(jī)上做一次物理實(shí)驗(yàn)。它可以通過(guò)比較各種型號(hào)的換熱器的換熱和流動(dòng)阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動(dòng)性能，對(duì)換熱器的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)有

30、指導(dǎo)作用?？傊茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天的階段，把實(shí)驗(yàn)測(cè)定、理論分析與數(shù)值模擬這三種研究手段有機(jī)而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來(lái)，是研究流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的理想而有效的方法。21.3 平直翅片管換熱器的研究進(jìn)展及成果人們?cè)谶M(jìn)行強(qiáng)化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強(qiáng)化換熱的方法。總的來(lái)說(shuō)有以下的幾種方法：一是減小換熱管的結(jié)構(gòu)尺寸，采用小管徑換熱管代替大管徑換熱管，同時(shí)減小管排橫向間距及縱向間距。從目前家用空調(diào)中所采用的換熱管尺寸來(lái)看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢(shì)，從以前的9.52mm，7.94mm到現(xiàn)在的7.0mm；二是增強(qiáng)空氣側(cè)的湍流強(qiáng)度，可通過(guò)不斷改變氣流來(lái)流方向，來(lái)達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此

31、產(chǎn)生了波紋形翅片類(lèi)型； 三是采用間斷式翅片表面，將翅片表面沿氣流方向逐漸斷開(kāi)，以阻止翅片表面空氣層流邊界層的發(fā)展，使邊界層在各表面不斷地破壞，又在下一個(gè)沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條的前緣效應(yīng)，達(dá)到強(qiáng)化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。以下就國(guó)內(nèi)外對(duì)這幾種強(qiáng)化方式下的翅片類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展作概述介紹，如表1所示：1.3.1 平直翅片管實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展及成果(1) 早在1971年，rich就對(duì)管徑為13.3mm，管排間距為27.5mm和管列間距為31.8mm的16種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明翅片間距對(duì)換熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對(duì)的空氣壓降幾乎沒(méi)有影

32、響11。(2) 1978年，mcquiston發(fā)表了第一個(gè)基于五種結(jié)構(gòu)參數(shù)（翅片間距1.81-6.35mm、管外徑為9.96mm、管排間距為22mm、管列間距為25.4mm、管排數(shù)為4）的平翅片換熱及壓降通用關(guān)聯(lián)式11。(3) 1986年，gray和webb又提出了管排數(shù)大于4排的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其關(guān)聯(lián)式能較好地預(yù)測(cè)大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性和壓降特性11。(4) 1991年，seshimo and fujii在迎面風(fēng)速為0.5m/s-2.5m/s的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)21種平翅片形換熱器進(jìn)行了研究。(5) 1994年，康海軍12等對(duì)平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對(duì)9種不同結(jié)構(gòu)的

33、平翅片換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)片距對(duì)傳熱的影響依賴(lài)于臨界re 數(shù)，對(duì)于層流來(lái)講，片間距的增加會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱的下降 ，而對(duì)于阻力而言，片間距越大，阻力越小，且兩排管的性能優(yōu)于三、四排管。并提出了在工業(yè)常用re數(shù)范圍內(nèi)的換熱和阻力性能通用關(guān)聯(lián)式。(6) 1996年，何國(guó)庚13等分別對(duì)16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，指出風(fēng)速對(duì)風(fēng)側(cè)阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時(shí)，風(fēng)速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)速的影響也趨向穩(wěn)定。(7) 1996年以來(lái)，wangel一直致力于翅片管的研究，對(duì)平翅片換熱器也做了大量的研究，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

34、大量十分有價(jià)值的研究成果。(8) 2000年，wangel對(duì)18種不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的空氣側(cè)換熱特性進(jìn)行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對(duì)換熱特性的影響。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。(9) sparrowe也對(duì)單排及雙排平直管換熱器進(jìn)行了研究，指出邊界層的發(fā)展是單排管換熱特性的最重要因素，渦流的影響只有在高雷諾數(shù)的情況下才獲得11。1.3.2 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。后來(lái)， torikoshi對(duì)板間通道進(jìn)行了3d數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)只要翅片

35、間距足夠小，管子后漩渦將被翅片的“壁面效應(yīng)”抑制，此時(shí)整個(gè)流場(chǎng)將處于層流狀態(tài)。(2) ricardo也對(duì)板間的流體行為進(jìn)行了3d模擬。同時(shí)借助可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了翅片間距對(duì)傳熱、流阻的影響。(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(xiàn)型增加，但管子背風(fēng)側(cè)的換熱強(qiáng)度較差。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，風(fēng)速為0.53.5m/ s時(shí)，對(duì)流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。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

36、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。(4) 2002年，西安交通大學(xué)宋富強(qiáng)，屈治國(guó)14等對(duì)翅片管散熱器進(jìn)行了低速下流動(dòng)和換熱的數(shù)值模擬，得到了流速與換熱系數(shù)的關(guān)系，以及不同流速下翅片管流動(dòng)與換熱的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和速度與溫度梯度的夾角場(chǎng)，并首次利用場(chǎng)協(xié)同原理進(jìn)行了分析9結(jié)果表明：當(dāng)流速很低時(shí)，速度與換熱系數(shù)幾乎成線(xiàn)性變化，場(chǎng)的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場(chǎng)的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。(5) 2003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1.03.0m/s時(shí)的溫度與壓力分布特性，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

37、換熱系數(shù)與壓降的變化情況。(6) 2006年，徐百平等11對(duì)換熱器內(nèi)的流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。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。(7) 2008年，傅明星16利用三維穩(wěn)態(tài)模擬研究了叉排和順排布置形式、幾何尺寸和雷諾數(shù)red對(duì)雙排平直翅片管換熱器換熱和流動(dòng)特性的影響，研究成果豐富。(8) 2010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。高溫?fù)Q熱器用平直翅

38、片管的傳熱與阻力特性不同于常溫條件下的平直翅片管， 在熱力設(shè)計(jì)中平直翅片管常溫下的傳熱與阻力規(guī)律不能直接推廣到高溫環(huán)境。1.4 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。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。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fluent6.2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

39、，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)。具體內(nèi)容如下：1. 假定流動(dòng)為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動(dòng)，翅片管管壁面溫度恒定，且認(rèn)為流動(dòng)與換熱在經(jīng)過(guò)進(jìn)口延長(zhǎng)區(qū)后均已進(jìn)入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個(gè)周期中的流動(dòng)與換熱控制方程數(shù)學(xué)模型。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。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。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

40、，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。4. 數(shù)值計(jì)算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換熱特性與流動(dòng)阻力，模擬得出流場(chǎng)各參數(shù)分布，分析來(lái)流速度及管排數(shù)、管間距、翅片間距等幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與努賽爾數(shù)nu和流動(dòng)壓降p的關(guān)系，并得出其對(duì)平直翅片管換熱因子j、阻力系數(shù)f及綜合性能參數(shù)j/f的影響。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)。第二章 平直翅片管換熱流動(dòng)模型建立與分析2.1 平直翅片管換熱與流動(dòng)特性物理過(guò)

41、程的描述流體流經(jīng)翅片管通道，由于管束結(jié)構(gòu)的存在及管外流道的周期性變化特性使得流體在沿流向呈周期性變截面通道中流動(dòng)時(shí)，在離開(kāi)入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進(jìn)入充分發(fā)展段，流動(dòng)與換熱具有周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動(dòng)與換熱。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。2.2 平直翅片管換熱器物理模型的建立2

42、.3.1 物理模型的幾何尺寸 本文計(jì)算模型的幾何尺寸是在參照目前商用空調(diào)換熱器常用的尺寸基礎(chǔ)上確定的，并通過(guò)前處理軟件gambit建立模型，兩者的外形基本相同，翅片及基管均為鋁質(zhì)材料，導(dǎo)熱系數(shù)為202.4 w/ (mk)?；境叽缛缦拢汗茏又睆絛= 10mm，管排橫向間距s2= 22mm，管排縱向間距s1= 16mm，翅片厚度= 0.2mm，翅片間距s= 1.6mm。幾何結(jié)構(gòu)如圖2-1和圖2-2所示：圖2-1 叉排布置的翅片管換熱器圖2-2 順排布置的翅片管換熱器 2.3.2 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

43、進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。由于幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性和周期性，本文計(jì)算區(qū)域的物理模型取整個(gè)寬度的一半、間距的一半來(lái)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(lái)界定。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2-3）圖2-3 計(jì)算區(qū)域選取示意圖另外，為了保證流體進(jìn)口處于充分發(fā)展流動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)避免出流邊界回流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，將計(jì)算區(qū)域進(jìn)口延長(zhǎng)12倍，出口延長(zhǎng)56倍，保證出口邊界沒(méi)有回流。（如圖2-4）圖2-4 平直翅片管式換熱器單元結(jié)構(gòu)2.3 平直翅片管數(shù)學(xué)模型描述與簡(jiǎn)化假設(shè)2.3.3 基本簡(jiǎn)化假設(shè)與

44、定解條件 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； 空氣進(jìn)口溫度為308 k； 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； 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。（空氣物性參數(shù)如表2-1）； 對(duì)輻射換熱和重力影響忽略不計(jì)。表2-1 空氣物性參數(shù)（常物性）項(xiàng)目數(shù)據(jù)密度/ kgm-31.225粘度/ pas1.789410-5比熱cp/ j(gk)- 11.00643導(dǎo)熱系數(shù)/ w(mk) - 10.0242進(jìn)口流速u(mài) / ms-10.71.8 2.3.

45、4 基本控制方程本文計(jì)算為三維流動(dòng)，假設(shè)空氣流動(dòng)是不可壓縮、層流且為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，由于進(jìn)口延長(zhǎng)區(qū)的存在，認(rèn)為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動(dòng)與換熱已進(jìn)入周期性的充分發(fā)展階段。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。該定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。對(duì)于本文研究問(wèn)題可簡(jiǎn)化為：(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。該定律可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。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。該定律可表述為：微元體中能

46、量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流量加上體力與面力對(duì)微元體所做的功。表示如下：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。2.3.5 相關(guān)參數(shù)的確定(1) 當(dāng)量直徑： 本文當(dāng)量直徑取為翅片管外徑de= do= 10mm(2) 雷諾數(shù)： 其中：-空氣密度，kg/m3； de-當(dāng)量直徑，m；umax-流道最小截面空氣流速，m/s；-空氣粘度，pas。(3) 努塞爾數(shù)： 其中： h-空氣對(duì)流換熱系數(shù)，w/(km2)；-空氣導(dǎo)熱系數(shù)，w/(km)。(4) 范寧阻力系數(shù)： 其中：p-流體進(jìn)出口壓降，pa；w-壁面剪應(yīng)力，n/

47、m2；l-翅片縱向長(zhǎng)度，s1。(5) 換熱系數(shù)： 其中：-翅片與空氣總換熱量，w/m3；qm-質(zhì)量流量，kg/s；cp-空氣比熱容，j(gk)- 1；tin，tout-空氣進(jìn)出口平均溫度，ka-翅片與管壁總換熱面積，m2；tm-對(duì)數(shù)平均溫差，k；tb-翅片壁面平均溫度，k。(6) j換熱因子： 其中：pr-普朗特?cái)?shù)，。2.3.6 物理模型的邊界條件及初始條件為保證無(wú)回流，在空氣流動(dòng)的方向上，入口、出口做適當(dāng)延長(zhǎng)。邊界條件的具體確定如下(如圖2-5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。(2) 空氣入口溫度為308k，采用均勻來(lái)流

48、的速度入口(velocity-inlet)，其中：u(x,y,z)|in=uin；v(x,y,z)|=0；w(x,y,z)|=0(3) 空氣出口采用自由方式流出，采用局部單向化(out-flow)。(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。在計(jì)算中，翅片和流體分別采用各自的導(dǎo)熱系數(shù)。在gambit中建立導(dǎo)熱與換熱混合邊界條件，用split volume工具得到 wall-shadow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。(5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認(rèn)為絕熱條件(heat-flux為0)。(6) 對(duì)于翅片間距中剖面

49、采用對(duì)稱(chēng)邊界條件(symmetry)。(7) 對(duì)于y方向上的空氣流道和進(jìn)出口延長(zhǎng)區(qū)均采用對(duì)稱(chēng)絕熱邊界條件。圖2-5 邊界條件設(shè)定圖第三章 基于fluent平直翅片管數(shù)值模擬及cfd簡(jiǎn)介3.1 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。目前，根據(jù)對(duì)控制方程離散方式的不同，對(duì)流換熱問(wèn)題應(yīng)用研究中所涉及到的常用的數(shù)值計(jì)算方法主要有以下

50、幾種6：(1) 有限差分法(finite difference method，fdm)有限差分法是求取偏微分方程數(shù)值解的最古老的方法，對(duì)簡(jiǎn)單幾何形狀中的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題也是一種最容易實(shí)施的方法。其基本思想是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線(xiàn)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。求解這些代數(shù)方程組就獲得了所需的數(shù)值解。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

51、早且比較成熟的數(shù)值方法。在規(guī)則區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上，有限差分法是十分簡(jiǎn)便而有效的，而且很容易引入對(duì)流項(xiàng)的高階格式。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。(2) 有限容積法(finite volume method，fvm) 有限容積法又稱(chēng)為控制體積法。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。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。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）

52、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。由于擴(kuò)散項(xiàng)多是采用相當(dāng)于二階精度的線(xiàn)性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對(duì)流項(xiàng)上。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。(3) 有限元法(finiteelementmethod，fem)有限元方法的基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本求解思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫(xiě)成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選用的插值函數(shù)組成的線(xiàn)性表達(dá)式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求

53、解。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。有限元方法最早應(yīng)用于結(jié)構(gòu)力學(xué)，后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展慢慢用于流體力學(xué)的數(shù)值模擬。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(xiàn)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。除以上三種數(shù)值計(jì)算方法外，還有有限分析法等8。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。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無(wú)限小的控制體積中的守恒原理一樣

54、。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。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。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。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。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。有限差分法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。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。在有限體

55、積法中，插值函數(shù)只用于計(jì)算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話(huà)，可以對(duì)微分方程中不同的項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)。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。故有限容積法是cfd進(jìn)行數(shù)值計(jì)算采用最多一種方法，其中最普及的fluent軟件就是其中之一。183.2 cfd概述3.2.1 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

56、熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。cfd這一始于本世紀(jì)三十年代到如今的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，集流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)于一身，已經(jīng)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。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)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。cfd可以看做是在流動(dòng)基本方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程）控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過(guò)這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復(fù)雜問(wèn)題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。3.2.2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的工作步驟采用cfd方法對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬過(guò)程（如圖1-4），通常包括以下步驟：(1) 建立反映工程問(wèn)題或物理問(wèn)題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說(shuō)就是要建立反映問(wèn)題