平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)論文（含外文翻譯）

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）任務書</p><p><b>　　第1頁</b></p><p><b>　　第2頁</b></p><p><b>　　第3頁 </b></p><p><b>　　第4頁</b></p><

2、p>　畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：1、畢業(yè)設(shè)計（論文）要求：了解強化傳熱技術(shù)的發(fā)展、平直翅片管強化傳熱的機理及此換熱設(shè)備在實際中的應用；了解翅片管換熱與阻力性能研究進程及國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀；了解用數(shù)值方法研究翅片管換熱問題的優(yōu)越性并掌握數(shù)值解法的基本原理；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)值求解并對實驗數(shù)據(jù)后處理分析的基本方法；

3、初步培養(yǎng)嚴謹?shù)目蒲兴刭|(zhì)和獨立工作的能力。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。通常管子以叉排和順排兩種方式排列，且流動換熱在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)各不相同，其流場與溫度場可用周期性的流動與換熱模型進行模擬，具體問題如下：流體橫掠平直翅片管管束，管內(nèi)外流體形成交叉流動，由于管束通道結(jié)構(gòu)的對稱性，計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的一半來進行，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

4、片間距中分面來界定。所以，本文僅取一個單元周期區(qū)域研究即可（見圖中虛線所圍部分）。假設(shè)流動介質(zhì)為不可壓縮空氣，物性參數(shù)為常數(shù)，忽略重</p><p>　　平直翅片管傳熱與阻力特性的數(shù)值研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　平直翅片管式換熱器作為熱力系統(tǒng)和制冷空調(diào)裝備中的一個重要部件，對其換熱性能的研究一直是科研人

5、員熱衷的課題。盡管它在結(jié)構(gòu)的緊湊性、傳熱強度和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、適應性強、工作可靠、制造簡單、生產(chǎn)成本低、選材范圍廣等優(yōu)點，仍在能源、化工、石油等行業(yè)得到廣泛應用。因而，對其翅片管束通道內(nèi)的流動與傳熱問題的研究具有十分重要的意義。</p><p>　　本文針對平直翅片管內(nèi)的流動特點，主要對以下內(nèi)容進行研究：簡單概述平直翅片管研究的動態(tài)及現(xiàn)狀，并在對比

6、分析對其進行實驗法、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軟件對不同結(jié)構(gòu)尺寸的平直翅片管建立物理模型，并通過FLUENT6.2軟件對其翅片管通道內(nèi)的流動進行數(shù)值模擬，計算Re數(shù)與努塞爾數(shù)Nu、阻力系數(shù)f的關(guān)系，分析流動參數(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）等因素對平直翅片管流動與換熱性能的影響，探討不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的流動特征及阻力特性，為工業(yè)應用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計

7、和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵字：數(shù)值模擬；平直翅片；層流流動；流動換熱</p><p>　　Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plain-finned Tube</p><p><b>　　ABSTRACT</b>

8、;</p><p>　　As plain-finned tube is an important component for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researche

9、rs．Although 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 energy，chemical，oil and other industries f

10、or its many advantages which contained withstand high temperature and pressure，adpta</p><p>　　Aim at the flow characteristics of plain-finned tube，this paper will study the followings：Simplely overview the s

11、tudy 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 method．we determine use Gambit-software to

12、 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 betwee</p><p>　　Key words: numerical simulati

13、on；plain-fin；laminar flow；heat transfer</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　第一章 緒論1</p><p

14、>　　1.1課題背景及研究意義1</p><p>　　1.2翅片管強化傳熱的數(shù)值解法4</p><p>　　1.3平直翅片管換熱器的研究進展及成果7</p><p>　　1.4本文的主要研究內(nèi)容11</p><p>　　第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析12</p><p>　　2.1

15、平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述12</p><p>　　2.2平直翅片管換熱器物理模型的建立12</p><p>　　2.3平直翅片管數(shù)學模型描述與簡化假設(shè)14</p><p>　　第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介18</p><p>　　3.1常用數(shù)值計算方法簡介18</p>

16、<p>　　3.2CFD概述20</p><p>　　3.3FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介22</p><p>　　3.4平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬24</p><p>　　第四章 平直翅片管數(shù)值計算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析27</p><p>　　4.1迭代殘差圖27</p><p

17、>　　4.2雷諾數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響27</p><p>　　4.3翅片間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響32</p><p>　　4.4管排數(shù)對平直翅片管換熱與壓降特性的影響33</p><p>　　4.5管排橫向間距對平直翅片管換熱與壓降特性的影響35</p><p>　　4.6管排縱向間距對平直翅

18、片管換熱與壓降特性的影響38</p><p>　　4.7管排方式對平直翅片管換熱與壓降特性的影響40</p><p><b>　　結(jié) 論43</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p><b>　　外文原文47</b></p

19、><p><b>　　中文翻譯53</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　課題背景及研究意義</b></p><p><b>　　強化傳熱技術(shù)概述</b></p><p>　　強化傳熱

20、是上世紀六十年代開始蓬勃興起的一種改善傳熱性能的先進技術(shù)。它的任務是促進和適應高熱流，以達到用最經(jīng)濟的設(shè)備來傳輸特定的熱量，用最有效的冷卻來保護高溫部件的安全運行，以及用最高效率來實現(xiàn)能源的有效利用。正因為如此傳熱強化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應用，無論在動力、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化問題。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)

21、統(tǒng)計，在現(xiàn)代石油化工企業(yè)中，換熱器投資占30%～40%；在制冷機組中，蒸發(fā)器和凝結(jié)器的重量占機組總重量的30%～40%，動力消耗占總值的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電廠總投資的70%左右[2]。因此，換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運轉(zhuǎn)和改進對于整個企業(yè)投資、金屬耗量、空間以及動力消耗有著重要影響。</p><p>　　近十幾年來，世界面臨著能源短缺的局面，為緩和能源緊張的狀況

22、，世界各國競相采取節(jié)能措施，大力發(fā)展節(jié)能技術(shù)已成為當前工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中一個重要課題。采用先進技術(shù)，節(jié)能降耗，倡導低碳生活和綠色的生存模式，提高能源有效利用率勢在必行，正是出于這種目的，許多學者對強化換熱技術(shù)進行了大量的研究，提高換熱器的換熱效率來節(jié)約能源。換熱設(shè)備的合理設(shè)計、運轉(zhuǎn)和改進對節(jié)省資金、能源和金屬是十分重要的，因而強化換熱對國民經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義。</p><p>　　強化傳熱是實現(xiàn)換熱器高效、緊

23、湊換熱的主要途徑，其基本元件的開發(fā)研究一直備受關(guān)注，各種行業(yè)對強化傳熱的具體要求各不相同，但歸納起來，強化傳熱技術(shù)總可以達到下列目的[2]：</p><p>　　(1) 減少初設(shè)計的傳熱面積和重量；</p><p>　　(2) 提高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；</p><p>　　(3) 使換熱器在較低的溫差下工作；</p><p>　　(4) 減

24、少換熱器的阻力，以減少換熱器運行時的動力消耗；</p><p>　　(5) 提高換熱器的換熱器能力，同時使得增加的阻力不至于太大。</p><p>　　其中，方法(5)是一種嶄新的強化換熱的方法，由于很多傳統(tǒng)強化換熱的方法會明顯帶來流動阻力的大幅增加，而很多時候阻力增加的代價是大于換熱增加帶來的效益的，出現(xiàn)這種情況就會得不償失了。方法(5)追求的目的是能夠在換熱系數(shù)和流動阻力這兩者之間做一

25、個較好的權(quán)衡，起到減阻強化傳熱的效果[3]。不同的強化傳熱技術(shù)可滿足不同的要求，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，或減少換熱器的動力消耗。這幾個目的不可能同時滿足，因為它們是相互制約的，在選擇某一種強化技術(shù)前，必須先根據(jù)其具體任務，對設(shè)備體積、重量、投資及操作費用進行綜合平衡[4]。</p><p>　　現(xiàn)在，對傳統(tǒng)換熱器設(shè)備強化換熱研究主要集中在三大方向上[1]

26、：一是開發(fā)新的換熱器品種，如板式、螺旋板式、振動盤管式、板翅式等等，這些換熱器設(shè)計思想都是盡可能地提高換熱效率；二是對傳統(tǒng)的管殼式換熱器采取強化措施。具體說來，就是用各種異型管取代原來的光管，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)插入強化物質(zhì)；三是換熱設(shè)備的強化與用能系統(tǒng)的優(yōu)化組合，就是說按照能量的品味逐級利用，使用能的流程處于最合理的搭配，降低能耗實現(xiàn)全系統(tǒng)的節(jié)能。無論是在壁面增加粗糙表面還是利用插入物來強化

27、傳熱技術(shù)，雖然傳熱效果有了很大的改進，但這些方法有許多缺點，例如換熱管的加工制作工藝過于復雜，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，換熱能力增強的同時，阻力也相對增大許多，從而造成運行成本的提高等。因此，它們在強化效果、加工造價、流道通暢、使用壽命、流動阻力等方面上都有待改進，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]。</p><p>　　翅片管換熱器強化傳熱技術(shù)</

28、p><p>　　在強化傳熱方法研究中，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。對流換熱強化技術(shù)在氣體側(cè)的應用要綜合考慮許多因素：首先要確定流體的流態(tài)，即層流或湍流。在層流對流換熱情況下，流體速度和溫度呈拋物線分布，從流體核心到壁面都存在速度和溫度的梯度，因此對層流換熱所采取的強化措施是使流體產(chǎn)生強烈的徑向混合，使核心區(qū)流體的速度場、溫度場趨于均勻，壁面及壁面附近區(qū)域的溫度梯度增大，進而強化層流換熱。在湍

29、流對流換熱情況下，由于流體核心的速度場和溫度場都已經(jīng)比較均勻，對流換熱熱阻主要存在于貼壁的流體粘性底層中，因此對湍流換熱所采取的主要強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，增強換熱能力[6]。但由于氣體導熱系數(shù)和比熱都比較低，即使是湍流換熱也無法實現(xiàn)較高的換熱系數(shù)。所以，此時采用增強流體擾動，提高換熱系數(shù)的方法對空氣側(cè)換熱效果影響不大，增加換熱量更有效的方法應該是擴大換熱面積。</p><p&g

30、t;　　采用附加表面來增加換熱面積、減小流體通道的水力直徑，從而改變通道內(nèi)溫度場的分布就是強化空氣側(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的。</p><p>　　翅片的發(fā)展主要分為三個階段: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、錯位翅片等；帶渦流發(fā)生器翅片主要是通過渦流發(fā)生器產(chǎn)生橫向渦和縱向渦來使換熱

31、強化。雖然翅片類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，平直翅片的強化傳熱效果不如錯齒翅片和百葉窗翅片，但由于平翅片換熱器在結(jié)構(gòu)和制造上的簡單方便、 運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）等多個工業(yè)領(lǐng)域都得到廣泛的應用

32、[7]。采用平直翅片加強傳熱的機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烈的紊動，從而有效地降低了熱阻，提高了傳熱效率。</p><p>　　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外空氣側(cè)的熱阻比為2∶1∶7[5]?？梢姽芡獬崞膿Q熱仍然是制約換熱器效能的主要因素，因此，強化空氣側(cè)的換熱成了管翅式換熱器強化傳熱的重要問題。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

33、一種換熱器形式，對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，而且對改進翅片換熱器的設(shè)計型式，推出更加節(jié)能、節(jié)材的緊湊式換熱器有著重要的指導意義。</p><p>　　翅片管強化傳熱的數(shù)值解法</p><p>　　隨著高速計算機的出現(xiàn)和現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，以及湍流模型的不斷發(fā)展與完善，使用電子計算機作為模擬和實驗的手段成為可能，從而可以用數(shù)值方法來求解流體力學和傳熱學中的各種各樣

34、的問題。</p><p>　　數(shù)值傳熱學（Numerical Heat Transfer，NHT）又稱計算傳熱學（Computational Heat Transfer，CHT）是指對描寫流動與傳熱問題的控制方程采用數(shù)值方法通過計算機予以求解的一門傳熱學與數(shù)值方法相結(jié)合的交叉學科。數(shù)值傳熱學求解問題的基本思想是：把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場（如速度場、溫度場、濃度場等），用一系列有限個離散點（稱為節(jié)點

35、，node）上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程（稱為離散方程，discretization equation），求解所建立起來的代數(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來表示。</p><p>　　由于翅片管結(jié)構(gòu)及各種工況因素對換熱效果的影響十分復雜，以解析方法及實驗方法為主要研究方法都不能滿足研究的需要，而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展，計算傳熱

36、學與計算流體動力學發(fā)揮著越來越重要的作用。本文將針對平直翅片管對換熱特性與流動阻力的影響利用商業(yè)軟件FLUENT6.2進行數(shù)值模擬。與實驗研究相比，數(shù)值解法具有以下一些優(yōu)點[9]：</p><p>　　(1) 經(jīng)濟性好。運用計算機的數(shù)值方法進行預測的最重要優(yōu)點是它的成本低。在大多數(shù)實際應用中，計算機運算的成本要比相應的實驗研究的成本低好幾個數(shù)量級。而且隨著計算機工業(yè)的進一步發(fā)展（處理器運算速度的提高，硬件成本的下

37、降），它在科學研究的重要性將越來越突出。</p><p>　　(2) 研究周期短。用計算機進行計算和研究能以及其驚人的速度進行。一個設(shè)計者能夠在一天之內(nèi)研究出多種方案，并從中選擇最佳的設(shè)計，而相應的實驗研究卻需要很長的時間。</p><p>　　(3) 數(shù)據(jù)完整。對一個問題進行數(shù)值求解可以得到詳盡而完備的數(shù)據(jù)。它能夠提供在整個計算區(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

38、驗的情況不同，在計算中幾乎沒有不能達到的位置。</p><p>　　(4) 具有模擬理想條件的能力。人們有時為了研究一種基本的物理現(xiàn)象，希望實現(xiàn)若干理想化的條件，例如：常物性、絕熱條件、流動充分發(fā)展等等，在數(shù)值計算中很容易實現(xiàn)這樣的一些條件和要求，而在實驗中卻很難近似到這種理想化的條件。</p><p>　　數(shù)值計算方法的這些優(yōu)點使人們熱衷于計算機的分析，但是它也有一些局限性。因為結(jié)果的準

39、確度是由數(shù)學模型的精度和數(shù)值方法共同決定，因此數(shù)學模型和計算方法必須都具有良好的完善性，而且對于十分復雜的問題，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)值計算幾乎已取代了實驗研究，但在流體力學與傳熱學的領(lǐng)域中，實驗研究、理論分析與數(shù)值計算這三種研究手段則是相輔相成、互為補充的。</p><p>　　理論分析方法的優(yōu)點在于所得結(jié)果具有普遍性，各種影響因素清晰可見，可以為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的準確度提供擬合參照

40、的依據(jù)，是指導實驗研究和驗證新的數(shù)值計算方法的理論基礎(chǔ)。但是，它往往要求對計算對象進行抽象和簡化，才有可能得出理論解。</p><p>　　實驗測量方法是研究流動與傳熱問題的最基本的方法，它所得到的實驗結(jié)果是真實可信的，它是理論分析和數(shù)值方法的基礎(chǔ)，一方面補充現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模型試驗數(shù)據(jù)庫，另一方面為工程設(shè)計人員提供新的技術(shù)支持，同時還可以與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比來改進試驗設(shè)計，因而其重要性不容低估。然而，實驗往往受到

41、模型尺寸、流場擾動、人身安全和測量精度的限制，有時可能很難通過實驗方法得到結(jié)果[10]。</p><p>　　而數(shù)值求解(CFD)方法恰好克服了前面兩種方法的弱點，在計算機上實現(xiàn)了一個特定的計算，就好像在計算機上做一次物理實驗。它可以通過比較各種型號的換熱器的換熱和流動阻力優(yōu)劣情況，初步給出換熱器試驗設(shè)計參數(shù)選擇的建議，并能用于研究換熱器的換熱流動性能，對換熱器的開發(fā)和設(shè)計有指導作用。</p>&l

42、t;p>　　總之，科學技術(shù)發(fā)展到今天的階段，把實驗測定、理論分析與數(shù)值模擬這三種研究手段有機而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來，是研究流動與傳熱問題的理想而有效的方法。[2]</p><p>　　平直翅片管換熱器的研究進展及成果</p><p>　　人們在進行強化翅片表面換熱的研究中，提出了各種強化換熱的方法?？偟膩碚f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，同時減

43、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看，其管徑有不斷減小的發(fā)展趨勢，從以前的9.52mm，7.94mm到現(xiàn)在的7.0mm；二是增強空氣側(cè)的湍流強度，可通過不斷改變氣流來流方向，來達到強化換熱的目的，主要采用將翅片沖壓成波紋形，由此產(chǎn)生了波紋形翅片類型； 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，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，又在下一個沖條形成新的邊界層，不斷利用沖條

44、的前緣效應，達到強化換熱的目的。屬于這種翅片的有條縫形翅片和百葉窗形翅片等。以下就國內(nèi)外對這幾種強化方式下的翅片類型的實驗研究進展作概述介紹，如表1所示：</p><p>　　平直翅片管實驗研究進展及成果</p><p>　　(1) 早在1971年，Rich就對管徑為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)的平翅片換熱器進行了實驗研究，實驗結(jié)果表明翅片間

45、距對換熱系數(shù)有顯著的影響，而管排數(shù)對的空氣壓降幾乎沒有影響[11]。</p><p>　　(2) 1978年，McQuiston發(fā)表了第一個基于五種結(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]。</p><p>　　(3) 1986年，Gray和Webb又提出了管排數(shù)大于4排的實

46、驗關(guān)聯(lián)式，其關(guān)聯(lián)式能較好地預測大管徑、大管排間距和大管列間距下的換熱特性和壓降特性[11]。</p><p>　　(4) 1991年，Seshimo and Fujii在迎面風速為0.5m/s-2.5m/s的實驗條件下，對21種平翅片形換熱器進行了研究。</p><p>　　(5) 1994年，康海軍[12]等對平翅片在不同翅片間距和管排數(shù)的情況下，對9種不同結(jié)構(gòu)的平翅片換熱器進行了實驗，

47、發(fā)現(xiàn)片距對傳熱的影響依賴于臨界Re 數(shù)，對于層流來講，片間距的增加會導致?lián)Q熱的下降 ，而對于阻力而言，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。</p><p>　　(6) 1996年，何國庚[13]等分別對16排、26排和32排的平翅片空氣冷卻器進行了實驗，指出風速對風側(cè)阻力的影響并不相同：在較少排數(shù)時，風速的影響顯著些；而隨著管排數(shù)的增加，風

48、速的影響也趨向穩(wěn)定。</p><p>　　(7) 1996年以來，Wangel一直致力于翅片管的研究，對平翅片換熱器也做了大量的研究，同時針對翅片換熱器的發(fā)展形式，對小管徑和小結(jié)構(gòu)尺寸的換熱器進行了研究，得出大量十分有價值的研究成果。</p><p>　　(8) 2000年，Wangel對18種不同結(jié)構(gòu)的翅片管換熱器的空氣側(cè)換熱特性進行了研究，并分析了管排數(shù)、翅片間距、管徑對換熱特性的影響

49、。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]。</p><p>　　(9) Sparrowe也對單排及雙排平直管換熱器進行了研究，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]。</p><p>　　平直翅片管數(shù)值研究進展及成果</p><p>　　(1) Saboya

50、在研究此問題時指出，邊界層的發(fā)展是制約單排管換熱特性的重要因素。后來， Torikoshi對板間通道進行了3D數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)只要翅片間距足夠小，管子后漩渦將被翅片的“壁面效應”抑制，此時整個流場將處于層流狀態(tài)。</p><p>　　(2) Ricardo也對板間的流體行為進行了3D模擬。同時借助可視化實驗技術(shù)，揭示了翅片間距對傳熱、流阻的影響。</p><p>　　(3) 宋富強對不同風速

51、下的傳熱機理進行場協(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，全場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，但管子背風側(cè)的換熱強度較差。雙排管整體翅片數(shù)值模擬表明，風速為0.5～3.5m/ s時，對流給熱系數(shù)及壓力降均隨流速呈線性增長。多排管束縱、橫向間距對傳熱的影響數(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，進一步場協(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、流場總體協(xié)同性

52、越好。</p><p>　　(4) 2002年，西安交通大學宋富強，屈治國[14]等對翅片管散熱器進行了低速下流動和換熱的數(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與換熱的溫度場、速度場和速度與溫度梯度的夾角場，并首次利用場協(xié)同原理進行了分析9結(jié)果表明：當流速很低時，速度與換熱系數(shù)幾乎成線性變化，場的協(xié)同性很好；隨著速度的增加，場的協(xié)同性變差，換熱系數(shù)隨速度增加的程度減弱。</p>

53、<p>　　(5) 2003年，何江海等[15]對整體式平直翅片管換熱器進行數(shù)值計算，得到了氣流速分別為1.0～3.0m/s時的溫度與壓力分布特性，并由計算結(jié)進一步得出不同來流速度時的空氣側(cè)對流換熱系數(shù)與壓降的變化情況。</p><p>　　(6) 2006年，徐百平等[11]對換熱器內(nèi)的流動與傳熱進行了數(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 ，提出了可以通過控制宏觀流場來減阻強化傳熱

54、的思想。</p><p>　　(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對雙排平直翅片管換熱器換熱和流動特性的影響，研究成果豐富。</p><p>　　(8) 2010年，馬挺、曾敏[17]等數(shù)值模擬方法對平直翅片管燃氣側(cè)在高溫和常溫兩種不同環(huán)境中傳熱與阻力特性進行了對比研究，數(shù)值模擬結(jié)果表明：燃氣進口溫度對Nu數(shù)影響較大，溫差對阻力

55、系數(shù)f影響較大，輻射對Nu數(shù)影響較大，對阻力系數(shù)f影響很小。高溫換熱器用平直翅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。</p><p><b>　　本文的主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　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)中應用非常廣泛。作為

56、其中的關(guān)鍵部件，換熱器的性能與效率對于整個系統(tǒng)的影響就顯得尤為重要。針對上述課題的意義、翅片管式換熱器的換熱特點及國內(nèi)外在實驗與數(shù)值模擬方面發(fā)展狀況的分析，本課題應用FLUENT6.2商業(yè)軟件對平直翅片管式換熱器在充分發(fā)展流動情況下的傳熱性能和流動阻力特性進行數(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)。具體內(nèi)容如下：</p

57、><p>　　1. 假定流動為三維、穩(wěn)態(tài)的層流流動，翅片管管壁面溫度恒定，且認為流動與換熱在經(jīng)過進口延長區(qū)后均已進入周期性充分發(fā)展階段，建立平直翅片通道內(nèi)一個周期中的流動與換熱控制方程數(shù)學模型。</p><p>　　2. 根據(jù)空調(diào)設(shè)備中常見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軟件對計算區(qū)域全流場及翅片內(nèi)部導熱區(qū)域進行六面體網(wǎng)格劃分，管子周圍及流體近翅片區(qū)域采用邊界層加密處

58、理。采用的流體工質(zhì)為常物性的空氣。</p><p>　　3. 根據(jù)有限容積法的二階迎風格式（Second Order Upwind）對計算區(qū)域進行離散化，對離散后的控制方程設(shè)置邊界條件和初始條件，并采用標準的SIMPLE算法和穩(wěn)定的層流模型來求解壓力速度耦合問題，對于翅片表面溫度分布，采用翅片導熱與流體對流換熱耦合求解。</p><p>　　4. 數(shù)值計算平直翅片管在層流、恒壁溫條件下的換

59、熱特性與流動阻力，模擬得出流場各參數(shù)分布，分析來流速度及管排數(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和流動壓降△P的關(guān)系，并得出其對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。</p><p>　　5. 對計算結(jié)果利用EXCEL、TECPLOT軟件進行后處理，并對數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論，為工業(yè)應用上平直翅片管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改進、優(yōu)化分析提供理論依據(jù)。</p><p>　　

60、第二章 平直翅片管換熱流動模型建立與分析</p><p>　　平直翅片管換熱與流動特性物理過程的描述</p><p>　　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時，在離開入口一定距離（約一排或兩排管束）后，流體基本進入充分發(fā)展段，流動與換熱具有周期性變化的特征，即周期性充分發(fā)展的流動與換熱。在翅片管內(nèi)，管束繞流、管后漩渦是流

61、體擾動的主要特征，在漩渦區(qū)內(nèi)由于流體的緩慢流動及主流體無法有效透過漩渦與壁面進行熱交換，使該壁面處的換熱降到最低，同時循環(huán)漩渦增加了流動阻力，但這種流體擾動有時能夠引發(fā)流動不穩(wěn)定，促使流動在較低Re的下自身擾動增強，從而使換熱性能大大提高，改善換熱性能，但同時流動阻力也會相應增加。</p><p>　　平直翅片管換熱器物理模型的建立</p><p>　　物理模型的幾何尺寸 </p&g

62、t;<p>　　本文計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，導熱系數(shù)為202.4 W/ (m·K)?；境叽缛缦拢汗茏又睆紻= 10mm，管排橫向間距S2= 22mm，管排縱向間距S1= 16mm，翅片厚度δ= 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：</p>

63、<p><b>　　計算區(qū)域的選取</b></p><p>　　在實際模擬計算中受到計算機軟硬件的限制和從計算效率方面的考慮，不對完整的換熱器建立計算模型，而對幾何模型進行簡化處理。由于幾何結(jié)構(gòu)的對稱性和周期性，本文計算區(qū)域的物理模型取整個寬度的一半、間距的一半來進行，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界定。這樣可以對網(wǎng)格進行細化，同

64、時節(jié)約了計算機資源，提高了數(shù)值模擬效率，能在相對較短的時間內(nèi)得到穩(wěn)定工況的數(shù)值解。（如圖2-3）</p><p>　　另外，為了保證流體進口處于充分發(fā)展流動狀態(tài)，同時避免出流邊界回流對計算結(jié)果的影響，將計算區(qū)域進口延長1～2倍，出口延長5～6倍，保證出口邊界沒有回流。（如圖2-4）</p><p>　　平直翅片管數(shù)學模型描述與簡化假設(shè)</p><p>　　基本簡化假

65、設(shè)與定解條件</p><p>　　① 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認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熱及其與空氣對流換熱耦合求解得到；</p><p>　?、?空氣進口溫度為308 K；</p><p>　?、?由于空氣在換熱器內(nèi)流速不高及翅片間隙很小，假設(shè)流動為穩(wěn)定的層流；</p><p&

66、gt;　?、?由于流動過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）；</p><p>　　⑤ 對輻射換熱和重力影響忽略不計。</p><p>　　表2-1 空氣物性參數(shù)（常物性）</p><p><b>　　基本控制方程</b></p><p>　　本文計算為三維流動，假設(shè)空氣流動是不可壓縮、層

67、流且為穩(wěn)態(tài)流動，由于進口延長區(qū)的存在，認為翅片區(qū)域通道內(nèi)的流動與換熱已進入周期性的充分發(fā)展階段。控制方程如下：</p><p>　　(1) 連續(xù)性方程，又稱質(zhì)量方程，任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可表述為：單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。對于本文研究問題可簡化為：</p><p>　　(2) 動量方程，也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定

68、律。該定律可表述為：微元體中流體的動量對時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： </p><p>　　(3) 能量方程，是包含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。表示如下：</p><p>　　其中：u、v、w分別是速度矢量在x、y、z三個方向上的分量；</p>

69、<p>　　是密度； P是作用在微元體上的壓力；</p><p>　　a是熱擴散率； T是溫度。</p><p><b>　　相關(guān)參數(shù)的確定</b></p><p>　　(1) 當量直徑： 本文當量直徑取為翅片管外徑De= Do= 10mm</p><p>　　(2) 雷諾

70、數(shù)： </p><p>　　其中：---空氣密度，kg/m3； </p><p>　　De---當量直徑，m；</p><p>　　Umax---流道最小截面空氣流速，m/s；</p><p>　　---空氣粘度，Pa·S。</p><p>　　(3) 努塞爾數(shù)： <

71、/p><p>　　其中： h---空氣對流換熱系數(shù)，W/(K·m2)；</p><p>　　---空氣導熱系數(shù)，W/(K·m)。</p><p>　　(4) 范寧阻力系數(shù)： </p><p>　　其中：△P---流體進出口壓降，Pa；</p><p>　　τw---壁面剪應力，N/m2；<

72、/p><p>　　L---翅片縱向長度，S1。</p><p>　　(5) 換熱系數(shù)： </p><p>　　其中：Φ---翅片與空氣總換熱量，w/m3；</p><p>　　qm---質(zhì)量流量，Kg/s；</p><p>　　Cp---空氣比熱容，J·(g·K)- 1；</p>

73、<p>　　Tin，Tout---空氣進出口平均溫度，K</p><p>　　A---翅片與管壁總換熱面積，m2；</p><p>　　△tm---對數(shù)平均溫差，K；</p><p>　　Tb---翅片壁面平均溫度，K。</p><p>　　(6) j換熱因子： </p><p>　　其中：Pr-

74、--普朗特數(shù)，。</p><p>　　物理模型的邊界條件及初始條件</p><p>　　為保證無回流，在空氣流動的方向上，入口、出口做適當延長。邊界條件的具體確定如下(如圖2-5示)：</p><p>　　(1) 忽略翅片和基管之間的接觸熱阻，認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。</p><p>　　(2) 空氣入口

75、溫度為308K，采用均勻來流的速度入口(velocity-inlet)，其中：</p><p>　　u(x,y,z)|in=uin；v(x,y,z)|=0；w(x,y,z)|=0</p><p>　　(3) 空氣出口采用自由方式流出，采用局部單向化(out-flow)。</p><p>　　(4) 對于翅片表面，翅片溫度需要在計算中確定，因而是一個耦合求解換熱問題。

76、在計算中，翅片和流體分別采用各自的導熱系數(shù)。在GAMBIT中建立導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現(xiàn)流體和固體的耦合換熱。</p><p>　　(5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部傳熱，認為絕熱條件(Heat-flux為0)。</p><p>　　(6) 對于翅片間距中剖面采用對稱邊界條件(Sy

77、mmetry)。</p><p>　　(7) 對于Y方向上的空氣流道和進出口延長區(qū)均采用對稱絕熱邊界條件。</p><p>　　第三章 基于Fluent平直翅片管數(shù)值模擬及CFD簡介</p><p>　　常用數(shù)值計算方法簡介</p><p>　　數(shù)值解法是一種離散近似的計算方法，依賴于物理上合理、數(shù)學上適用、適合于在計算機上進行計算的離散的有

78、限數(shù)學模型，且最終結(jié)果不能提供任何形式的解析表達式，只是有限個離散點上的數(shù)值解，并有一定的計算誤差，但由于它在求解復雜微分方程時的獨特優(yōu)勢，依然得到廣泛的應用，并且通過CFD軟件得以商業(yè)化運行。目前，根據(jù)對控制方程離散方式的不同，對流換熱問題應用研究中所涉及到的常用的數(shù)值計算方法主要有以下幾種[6]：</p><p>　　(1) 有限差分法(Finite Difference Method，F(xiàn)DM)</p&

79、gt;<p>　　有限差分法是求取偏微分方程數(shù)值解的最古老的方法，對簡單幾何形狀中的流動與傳熱問題也是一種最容易實施的方法。其基本思想是將求解區(qū)域用網(wǎng)格線的交點所組成的點的集合來代替，以Taylor級數(shù)展開等方法，把描寫所研究的流動與傳熱問題的偏微分方程中的每一個導數(shù)項用網(wǎng)格節(jié)點上的函數(shù)值的差商代替進行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組，其中包含了本節(jié)點及其附近一些節(jié)點上所求量的未知值。求解這些代數(shù)方程組就

80、獲得了所需的數(shù)值解。該方法是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法，數(shù)學概念直觀，表達簡單，是發(fā)展較早且比較成熟的數(shù)值方法。</p><p>　　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便而有效的，而且很容易引入對流項的高階格式。其不足是離散方程的守恒特性難以保證，而最嚴重的缺點則是對不規(guī)則區(qū)域的適應性差。</p><p>　　(2) 有限容積法(Finite Volume Me

81、thod，F(xiàn)VM) </p><p>　　有限容積法又稱為控制體積法。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。</p><p>　　有限容積法從描寫流動與傳熱問題的守恒型控制方程出發(fā)，對它在控制容積上作積分，在積分過程中需要對界面上被求函數(shù)的本身（

82、對流通量）及其一階導數(shù)的（擴散通量）構(gòu)成方式作出假設(shè)，這就形成了不同的格式。由于擴散項多是采用相當于二階精度的線性插值，因而格式的區(qū)別主要表現(xiàn)在對流項上。</p><p>　　用有限容積法導出的離散方程可以保證具有守恒性，對區(qū)域形狀的適應性也比有限差分法要好，是目前應用最普遍的一種數(shù)值方法。</p><p>　　(3) 有限元法(FiniteElementMethod，F(xiàn)EM)</p

83、><p>　　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算域劃分為有限個互不重疊的單元，在每個單元內(nèi)，選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程中的變量改寫成由各變量或其導數(shù)的節(jié)點值與所選用的插值函數(shù)組成的線性表達式，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。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。</p><p>　　有限元方法最早應用于結(jié)構(gòu)力

84、學，后來隨著計算機的發(fā)展慢慢用于流體力學的數(shù)值模擬。在有限元方法中，把計算域離散剖分為有限個互不重疊且相互連接的單元，在每個單元內(nèi)選擇基函數(shù)，用單元基函數(shù)的線形組合來逼近單元中的真解，整個計算域上總體的基函數(shù)可以看為由每個單元基函數(shù)組成的，則整個計算域內(nèi)的解可以看作是由所有單元上的近似解構(gòu)成。</p><p>　　除以上三種數(shù)值計算方法外，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

85、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限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。而有限差分法，僅當網(wǎng)格極其細密時，離散方程才滿足積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準確的積分守恒。</p><p>　　就離散方法而言，有

86、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)格點上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點之間如何變化。有限體積法只尋求的結(jié)點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網(wǎng)格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數(shù)只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對微分方程中不

87、同的項采取不同的插值函數(shù)。因而針對上述常用的數(shù)值計算方法，從實施的難易及發(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,計算量相對較小。故有限容積法是CFD進行數(shù)值計算采用最多一種方法，其中最普及的Fluent軟件就是其中之一。[18]</p><p><b>　　CFD概述</b></p><p&

88、gt;<b>　　計算流體動力學簡介</b></p><p>　　計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD這一始于本世紀三十年代到如今的計算機模擬技術(shù)，集流體力學、數(shù)值計算方法以及計算機圖形學于一身，已經(jīng)在各個工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應用。其基本思想可以歸結(jié)為

89、：把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。</p><p>　　CFD可以看做是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，我們可以得到極其復雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量（如速度、

90、壓力、溫度、濃度等）的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況，確定漩渦分布特性、空化特性及脫流區(qū)等。</p><p>　　計算流體動力學的工作步驟</p><p>　　采用CFD方法對流體流動進行數(shù)值模擬過程（如圖1-4），通常包括以下步驟：</p><p>　　(1) 建立反映工程問題或物理問題本質(zhì)的數(shù)學模型。具體說就是要建立反映問題各個量之間關(guān)系的微分方程及相應的

91、定解條件，這是數(shù)值模擬的出發(fā)點。流體的基本控制方程通常包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。</p><p>　　(2) 尋求高效率、高準確度的計算方法，即建立針對控制方程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。</p><p>　　(3) 編制

92、程序和進行計算。這部分工作包括網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入，控制參數(shù)的設(shè)定等。</p><p>　　(4) 顯示計算結(jié)果。計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。</p><p>　　計算流體動力學的特點</p><p>　　CFD的長處是適應性強、應用面廣。首先，流動問題的控制方程一般是非線性的，自變量多，計算域的幾何形狀

93、和邊界條件復雜，很難求得解析解，而用CFD方法則有可能找出滿足工程需要的數(shù)值解法；其次，可利用計算機進行各種數(shù)值實驗；再者，它不受物理模型和實驗模型的限制，省錢省時，有較多的靈活性，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。</p><p><b>　　CFD軟件介紹</b></p><p>　　隨著計

94、算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)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(xiàn)象，在比較短的時間內(nèi)，能預測性能，并通過改變各種參數(shù)，達到最佳設(shè)計效果。CFD的數(shù)值模擬，能使我們更加深刻地理解問題產(chǎn)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?qū)υ囼灲Y(jié)果的整理和得出規(guī)律起到很好的指導作用。</p>&

95、lt;p>　　CFD軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成（如圖3-1）。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(jīng)越來越廣泛，其中本文就是基于Fluent軟件來進行研究的。</p><p>　　FLUENT軟件概述及GAMBIT簡介</p><p>　　FLUENT軟件由美國FLUENT.Inc公司推出的，繼PHOENICS軟件之后第二個投放

96、市場的基于有限容積法的軟件。其設(shè)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(xiàn)象，F(xiàn)LUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)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(lǐng)域的復雜流動計算問題。</p><p>　　FLUENT集成的前處理軟件GAMBIT提供了靈活的網(wǎng)格特性，用戶可方便地使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對各種復雜幾何結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。對于二

97、維問題，可生成三角形單元網(wǎng)格和四邊形單元網(wǎng)格；對于三維問題，提供的網(wǎng)格單元包括四面體、六面體、棱錐、楔形體及雜交網(wǎng)格等。FLUENT還可根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整網(wǎng)格，對網(wǎng)格進行整體或局部的細化和粗化，自適應網(wǎng)格就是計算到一定的步驟后 對初算結(jié)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(wǎng)格密度，這樣使問題得到快速合理的解決，滑移網(wǎng)格采用在流體方向變化較大，如活塞運動的情況下，這時網(wǎng)格隨流動滑移，增加問題的收斂性及準確性。GAMBIT這

98、種網(wǎng)格的自適應能力可以使網(wǎng)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(jīng)越來越廣泛。</p><p>　　FLUENT程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　FLUENT程序軟件包由以下幾個部分組成:</p><p>　　(1) GAMBIT----用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成；</p>

99、<p>　　(2) FLUENT----用于進行流動模擬的求解器；</p><p>　　(3) prePoF----由于模擬PDF燃燒過程；</p><p>　　(4) Tgrid----用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格；</p><p>　　(5) Filters(Translators) 轉(zhuǎn)換其它程序生成的網(wǎng)格，用于FLUENT計算。</p&g

100、t;<p>　　利用FLUENT的求解步驟</p><p>　　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(jù)以下步驟進行求解計算：</p><p>　　(1) 創(chuàng)建幾何模型及劃分區(qū)域網(wǎng)格（在GAMBIT或其它前處理軟件中完成）；</p><

101、;p>　　(2) 啟動FLUENT求解器；</p><p>　　(3) 導入網(wǎng)格模型；</p><p>　　(4) 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；</p><p>　　(5) 選擇求解器及運行環(huán)境；</p><p>　　(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；</p><p>　　(7

102、) 設(shè)置材料特性及工質(zhì)物性參數(shù)；</p><p>　　(8) 設(shè)置邊界條件；</p><p>　　(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）；</p><p>　　(10) 設(shè)置特定監(jiān)測參量并初始化流場；</p><p>　　(11) 開始求解計算；</p><p>　　(12) 顯示求解結(jié)果；

103、</p><p>　　(13) 保存求解結(jié)果，以便用于后處理；</p><p>　　(14) 如果有必要，自適應修改網(wǎng)格或計算模型，然后重復上述過程計算。</p><p>　　平直翅片管基于FLUENT數(shù)值模擬</p><p><b>　　計算區(qū)域網(wǎng)格的劃分</b></p><p>　　數(shù)值模擬首

104、先就要對計算區(qū)域進行離散化，即網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達形式，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(shù)目，節(jié)省計算所需內(nèi)存和計算時間。</p><p>　　本文采用GAMBIT軟件來建立幾何模型，并進行網(wǎng)格生成。因為網(wǎng)格的正交性越好，計算越準確，越易收斂，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)

105、域的邊界擬合，網(wǎng)格生成的速度較快，質(zhì)量較好，同時對于體劃分六面體結(jié)構(gòu)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(wǎng)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3-2，3-3，3-4）：</p><p>　　(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(jié)構(gòu)性六面體網(wǎng)格，節(jié)點間距為0.2。</p><p>　　(

106、2) 對于管子周圍及近翅片等流動參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域采用邊界層加密，最小間距為0.01，最大間距為0.15。</p><p>　　(3) 對于翅片區(qū)域，由于幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，采用Map-Pave/Tri生成混雜網(wǎng)格來適應管子的圓弧邊界，提高網(wǎng)格質(zhì)量，最小間距為0.15。</p><p>　　(4) 對翅片區(qū)域全流場采用Cooper方法生成六面體網(wǎng)格，節(jié)點size取0.15，網(wǎng)格單元數(shù)控

107、制在200000以內(nèi)。</p><p><b>　　求解器的選擇</b></p><p>　　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(nèi)存也需相應增加1倍；非耦合算法比耦合算法需要的內(nèi)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(shù)壓縮性