热能与动力工程毕业论文(设计)

热能与动力工程毕业论文(设计)内容摘要：

在换热系数和流动阻力这两者之间做一个较好的权衡，起到减阻强化传热的效果 [3]。 不同的强化传热技术可满足不同的要求，如减少初次传热面积以减小换热器的体积和重量，或提高换热器的换热能力，或增大换热温差，或减少换热器的动力消耗。 这几个目的不可能同时满足，因为它们是相互制约的，在选择某一种强化技术前，必须 先根据其具体任务，对设备体积、重量、投资及操作费用进行综合平衡 [4]。 现在，对传统换热器设备强化换热研究主要集中在三大方向上 [1]：一是开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式、振动盘管式、板翅式等等，这些换热器设计思想都是尽可能地提高换热效率；二是对传统的管壳式换热器采取强化措施。 具体说来，就是用各种异型管取代原来的光管，现在较常用的有螺旋横纹（螺纹管）、横槽纹管、波纹管、内翅管及管内插入强化物质；三是换热设备的强化与用能系统的优化组合，就是说按照能量的品味逐级利用，使用能的流程处于最合理的搭配，降低能耗实 现全系统的节能。 无论是在壁面增加粗糙表面还是利用插入物来强化传热技术，虽然传热效果有了很大的改进，但这些方法有许多缺点，例如换热管的加工制作工艺过于复杂，增加金属消耗量从而增加换热器重量，又易于造成管子堵塞，换热能力增强的同时，阻力也相对增大许多，从而造成运行成本的提高等。 因此，它们在强化效果、加工造价、流道通畅、使用寿命、流动阻力等方面上都有待改进，尤其在上述诸性能的综合性能上参差不齐，需要探索更合理的方式 [5]。 翅片管换热器强化传热技术 在强化传热方法研究中，换热器气体侧的传热热阻是提高换热器传热效果 的主要障碍。 对流换热强化技术在气体侧的应用要综合考虑许多因素：首先要确定流体的流态，即层流或湍流。 在层流对流换热情况下，流体速度和温度呈抛物线分布，从流体核心到壁面都存在速度和温度的梯度，因此对层流换热所采取的强化措施是使流体产生强烈的 3 径向混合，使核心区流体的速度场、温度场趋于均匀，壁面及壁面附近区域的温度梯度增大，进而强化层流换热。 在湍流对流换热情况下，由于流体核心的速度场和温度场都已经比较均匀，对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中，因此对湍流换热所采取的主要强化措施是破坏边界层，使传热温差发生在更 加贴近壁面的流体层中，增强换热能力 [6]。 但由于气体导热系数和比热都比较低，即使是湍流换热也无法实现较高的换热系数。 所以，此时采用增强流体扰动，提高换热系数的方法对空气侧换热效果影响不大，增加换热量更有效的方法应该是扩大换热面积。 采用附加表面来增加换热面积、减小流体通道的水力直径，从而改变通道内温度场的分布就是强化空气侧换热最常用的手段之一，翅片管换热器（如图 11）就是基于上述原理制造出来的。 翅片的发展主要分为三个阶段 :连续型翅片、间断型波纹翅片和带涡流发生器的翅片。 其中，连续型翅片包括平直 型、波纹型等翅片；间断型翅片包括百叶窗翅片、错位翅片等；带涡流发生器翅片主要是通过涡流发生器产生横向涡和纵向涡来使换热强化。 虽然翅片类型已由平直翅片向波纹片、百叶窗、冲缝片和穿孔翅片等多种高效形式演变，平直翅片的强化传热效果不如错齿翅片和百叶窗翅片，但由于平翅片换热器在结构和制造上的简单方便、 运用上的耐久性及其较好的适用性，到目前为止，平翅片换热器仍是最为常用的一种翅片管式换热器之一。 平直翅片管（图 14）换热器具有良好的传热性能和低阻力性能，其在制冷、空调、化工、电子微器件散热（如 CPU 热管式散热器 图 11 翅片管式换热器实物模型 4 图 12 和 13）等多个工业领域都得到广泛的应用 [7]。 采用平直翅片加强传热的机理是传热面积的增大和水力直径的减小，使流体在通道中形成强烈的紊动，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。 研究发现，翅片管式换热器管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比为 2∶ 1∶ 7[5]。 可见管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素，因此，强化空气侧的换热成了管翅式换热器强化传热的重要问题。 翅片管式换热器是一种在制冷、空调、化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式，对它的研究不仅有利于提 高换热器的换热效率和整体系统性能，而且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。 翅片管强化传热的数值解法 随着高速计算机的出现和现代计算技术的发展，以及湍流模型的不断发展与完善，使用电子计算机作为模拟和实验的手段成为可能，从而可以用数值方法来求解流体力学和传热学中的各种各样的问题。 图 12 忍者 I 代塔式穿 fin 散热器 图 13 10 热管穿 finCPU散热器 图 14 平直翅片管模型 5 数值传热学（ Numerical Heat Transfer， NHT）又称计算传热学（ Computational Heat Transfer， CHT）是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数 值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。 数值传热学求解问题的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点（称为节点， node）上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程， discretization equation），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值 [8]。 上述基本思想可以用图 15 来表示。 由于翅片管结构及各种工况因素对换热效果的影响十分复杂，以解析方法及 实验方法为主要研究方法都不能满足研究的需要，而且随着计算机工业的进一步发展，计算传热学与计算流体动力学发挥着越来越重要的作用。 本文将针对平直翅片管对换热特性与流动阻力的影响利用商业软件 进行数值模拟。 与实验研究相比，数值解法具有以下一些优点 [9]： 图 15 工程物理问题数值计算的一般步骤 6 (1) 经济性好。 运用计算机的数值方法进行预测的最重要优点是它的成本低。 在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级。 而且随着计算机工业的进一步发展（处理器运算速度的提高，硬件成本的下降），它在科学研究的重要性 将越来越突出。 (2) 研究周期短。 用计算机进行计算和研究能以及其惊人的速度进行。 一个设计者能够在一天之内研究出多种方案，并从中选择最佳的设计，而相应的实验研究却需要很长的时间。 (3) 数据完整。 对一个问题进行数值求解可以得到详尽而完备的数据。 它能够提供在整个计算区域内所有的有关变量（如速度、压力、温度、浓度等）的值。 与实验的情况不同，在计算中几乎没有不能达到的位置。 (4) 具有模拟理想条件的能力。 人们有时为了研究一种基本的物理现象，希望实现若干理想化的条件，例如：常物性、绝热条件、流动充分发展等等，在 数值计算中很容易实现这样的一些条件和要求，而在实验中却很难近似到这种理想化的条件。 数值计算方法的这些优点使人们热衷于计算机的分析，但是它也有一些局限性。 因为结果的准确度是由数学模型的精度和数值方法共同决定，因此数学模型和计算方法必须都具有良好的完善性，而且对于十分复杂的问题，数值解目前也很难获得。 虽然在某些研究领域中，目前数值计算几乎已取代了实验研究，但在流体力学与传热学的领域中，实验研究、理论分析与数值计算这三种研究手段则是相辅相成、互为补充的。 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清 晰可见，可以为检验数值计算结果的准确度提供拟合参照的依据，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。 但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。 实验测量方法是研究流动与传热问题的最基本的方法，它所得到的实验结果是真实可信的，它是理论分析和数值方法的基础，一方面补充现有的结构模型试验数据库，另一方面为工程设计人员提供新的技术支持，同时还可以与数值模拟的结果进行对比来改进试验设计，因而其重要性不容低估。 然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验 方法得到结果 [10]。 而数值求解 (CFD)方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现了一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。 它可以通过比较各种型号的换热器的换 7 热和流动阻力优劣情况，初步给出换热器试验设计参数选择的建议，并能用于研究换热器的换热流动性能，对换热器的开发和设计有指导作用。 总之，科学技术发展到今天的阶段，把实验测定、理论分析与数值模拟这三种研究手段有机而协调地结合起来，是研究流动与传热问题的理想而有效的方法。 [2] 平直翅片管换热器的研究进展及成果 人们在进行强化翅片表面换热的 研究中，提出了各种强化换热的方法。 总的来说有以下的几种方法：一是减小换热管的结构尺寸，采用小管径换热管代替大管径换热管，同时减小管排横向间距及纵向间距。 从目前家用空调中所采用的换热管尺寸来看，其管径有不断减小的发展趋势，从以前的 ， 到现在的 ；二是增强空气侧的湍流强度，可通过不断改变气流来流方向，来达到强化换热的目的，主要采用将翅片冲压成波纹形，由此产生了波纹形翅片类型； 三是采用间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。 属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等。 以下就国内外对这几种强化方式下的翅片类型的实验研究进展作概述介绍，如表 1 所示： 8 平直翅片管实验研究进展及成果 (1) 早在 1971 年， Rich 就对管径为 ，管排间距为 和管列间距为 的 16 种不同结构的平翅片换热器进行了实验研究，实验结果表明翅片间距对换 9 热系数有显著的影响，而管排数对。