平直翅片管传热与阻力特性的数值研究毕业设计(编辑修改稿)

平直翅片管传热与阻力特性的数值研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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，而管排数对的空气压降几乎没有影响 [11]。 (2) 1978 年， McQuiston 发表了第一个基于五种结构参数（翅片间距 、管外径为 、管排间距为 22mm、管列间距为 、管排数为 4）的平翅片换热及压降通用关联式 [11]。 (3) 1986 年， Gray 和 Webb 又提出了管排数大于 4 排的实验关联式，其关联式能较好地预测大管径、大管排间距和大管列间距下的换热特性 和压降特性 [11]。 (4) 1991 年， Seshimo and Fujii 在迎面风速为 ，对 21 种平翅片形换热器进行了研究。 (5) 1994 年，康海军 [12]等对平翅片在不同翅片间距和管排数的情况下，对 9 种不同结构的平翅片换热器进行了实验，发现片距对传热的影响依赖于临界 Re 数，对于层流来讲，片间距的增加会导致换热的下降 ，而对于阻力而言，片间距越大，阻力越小，且两排管的性能优于三、四排管。 并提出了在工业常用 Re 数范围内的换热和阻力性能通用关联式。 (6) 1996 年 ，何国庚 [13]等分别对 16 排、 26 排和 32 排的平翅片空气冷却器进行了实验，指出风速对风侧阻力的影响并不相同：在较少排数时，风速的影响显著些；而随着管排数的增加，风速的影响也趋向稳定。 (7) 1996 年以来， Wangel一直致力于翅片管的研究，对平翅片换热器也做了大量的研究，同时针对翅片换热器的发展形式，对小管径和小结构尺寸的换热器进行了研究，得出大量十分有价值的研究成果。 (8) 20xx 年， Wangel对 18 种不同结构的翅片管换热器的空气侧换热特性进行了研究，并分析了管排数、翅片间距、管径对换热特性的 影响。 指出在不同的雷诺数下，空气侧的换热特性与翅片间距、 管排数和换热管管径有十分重要的关系 [11]。 (9) Sparrowe 也对单排及双排平直管换热器进行了研究，指出边界层的发展是单排管换热特性的最重要因素，涡流的影响只有在高雷诺数的情况下才获得 [11]。 平直翅片管数值研究进展及成果 (1) Saboya 在研究此问题时指出，边界层的发展是制约单排管换热特性的重要因素。 后来， Torikoshi 对板间通道进行了 3D 数值模拟，发现只要翅片间距足够小，管子后漩涡将被翅片的“壁面效应”抑制，此时整个流场将处于 层流状态。 10 (2) Ricardo 也对板间的流体行为进行了 3D 模拟。 同时借助可视化实验技术，揭示了翅片间距对传热、流阻的影响。 (3) 宋富强对不同风速下的传热机理进行场协同数值研究，得到了不同位置速度矢量与温度梯度的协同程度，发现低流速时，全场的温度梯度与速度协同程度好，因而换热速率随流速近线型增加，但管子背风侧的换热强度较差。 双排管整体翅片数值模拟表明，风速为 ～ ，对流给热系数及压力降均随流速呈线性增长。 多排管束纵、横向间距对传热的影响数值模拟结果发现，传热随着两种间距的增大而减小， 进一步场协同原理总体平均分析表明，横向管距越小，纵向管距越大，热、流场总体协同性越好。 (4) 20xx 年，西安交通大学宋富强，屈治国 [14]等对翅片管散热器进行了低速下流动和换热的数值模拟，得到了流速与换热系数的关系，以及不同流速下翅片管流动与换热的温度场、速度场和速度与温度梯度的夹角场，并首次利用场协同原理进行了分析 9结果表明：当流速很低时，速度与换热系数几乎成线性变化，场的协同性很好；随着速度的增加，场的协同性变差，换热系数随速度增加的程度减弱。 (5) 20xx 年，何江海等 [15]对整体式平直翅片管 换热器进行数值计算，得到了气流速分别为 ～ ，并由计算结进一步得出不同来流速度时的空气侧对流换热系数与压降的变化情况。 (6) 20xx 年，徐百平等 [11]对换热器内的流动与传热进行了数值模拟研究。 根据得到的换热器通道内的传热与阻力特性 ，提出了可以通过控制宏观流场来减阻强化传热的思想。 (7) 20xx 年，傅明星 [16]利用三维稳态模拟研究了叉排和顺排布置形式、几何尺寸和雷诺数 Red 对双排平直翅片管换热器换热和流动特性的影响，研究成果丰富。 (8) 20xx 年，马挺、曾 敏 [17]等数值模拟方法对平直翅片管燃气侧在高温和常温两种不同环境中传热与阻力特性进行了对比研究，数值模拟结果表明：燃气进口温度对 Nu数影响较大，温差对阻力系数 f 影响较大，辐射对 Nu数影响较大，对阻力系数 f 影响很小。 高温换热器用平直翅片管的传热与阻力特性不同于常温条件下的平直翅片管， 在热力设计中平直翅片管常温下的传热与阻力规律不能直接推广到高温环境。 11 本文的主要研究内容 综上所述，影响翅片的换热及阻力特性因素众多，翅片管式换热器在制冷与空调系统中应用非常广泛。 作为其中的关键部件，换热器的性能与效率对于整个 系统的影响就显得尤为重要。 针对上述课题的意义、翅片管式换热器的换热特点及国内外在实验与数值模拟方面发展状况的分析，本课题应用 商业软件对平直翅片管式换热器在充分发展流动情况下的传热性能和流动阻力特性进行数值模拟，得出平直翅片管式换热器管排横纵向间距、翅片间距、管排数和 Re 数等因素对换热与阻力特性的影响，以此为工业上平直翅片表面换热设备的选择提供参考依据。 具体内容如下： 1. 假定流动为三维、稳态的层流流动，翅片管管壁面温度恒定，且认为流动与换热在经过进口延长区后均已进入周期性充分发展阶段，建 立平直翅片通道内一个周期中的流动与换热控制方程数学模型。 2. 根据空调设备中常见的整体式平直翅片管尺寸结构选取几何模型，并使用GAMBIT 软件对计算区域全流场及翅片内部导热区域进行六面体网格划分，管子周围及流体近翅片区域采用边界层加密处理。 采用的流体工质为常物性的空气。 3. 根据有限容积法的二阶迎风格式（ Second Order Upwind）对计算区域进行离散化，对离散后的控制方程设置边界条件和初始条件，并采用标准的 SIMPLE 算法和稳定的层流模型来求解压力速度耦合问题，对于翅片表面温度分布，采用翅片 导热与流体对流换热耦合求解。 4. 数值计算平直翅片管在层流、恒壁温条件下的换热特性与流动阻力，模拟得出流场各参数分布，分析来流速度及管排数、管间距、翅片间距等几何结构参数与努赛尔数 Nu和流动压降△ P 的关系，并得出其对平直翅片管换热因子 j、阻力系数 f 及综合性能参数 j/f 的影响。 5. 对计算结果利用 EXCEL、 TECPLOT 软件进行后处理，并对数据分析，得出结论，为工业应用上平直翅片管结构的设计和改进、优化分析提供理论依据。 12 第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 流体流经翅片管通道，由于管束结构的存在及管外流道的周期性变化特性使得流体在沿流向呈周期性变截面通道中流动时，在离开入口一定距离（约一排或两排管束）后，流体基本进入充分发展段，流动与换热具有周期性变化的特征，即周期性充分发展的流动与换热。 在翅片管内，管束绕流、管后漩涡是流体扰动的主要特征，在漩涡区内由于流体的缓慢流动及主流体无法有效透过漩涡与壁面进行热交换，使该壁面处的换热降到最低，同时循环漩涡增加了流动阻力，但这种流体扰动有时能够引发流动不稳定，促使流动在较低 Re 的下自身扰动增强，从而使换热性能大大提高， 改善换热性能，但同时流动阻力也会相应增加。 平直翅片管换热器物理模型的建立 物理模型的几何尺寸 本文计算模型的几何尺寸是在参照目前商用空调换热器常用的尺寸基础上确定的，并通过前处理软件 GAMBIT 建立模型，两者的外形基本相同，翅片及基管均为铝质材料，导热系数为 W/ (m K)。 基本尺寸如下：管子直径 D= 10mm，管排横向间距S2= 22mm，管排纵向间距 S1= 16mm，翅片厚度δ = ，翅片间距 S=。 几何结构如图 21 和图 22 所示： 图 21 叉排布置的翅片管换热器 图 22 顺 排布置的翅片管换热器 13 计算区域的选取 在实 际模拟计算中受到计算机软硬件的限制和从计算效率方面的考虑，不对完整的换热器建立计算模型，而对几何模型进行简化处理。 由于几何结构的对称性和周期性，本文计算区域的物理模型取整个宽度的一半、间距的一半来进行，横向尺寸由管间中分面和管子中心纵剖面界定，高度由翅片厚度中分面及翅片间距中分面来界定。 这样可以对网格进行细化，同时节约了计算机资源，提高了数值模拟效率，能在相对较短的时间内得到稳定工况的数值解。 （如图 23） 另外，为了保证流体进口处于充分发展流动状态，同时避免出流边界回流对计算结果的影响，将计算区域 进口延长 1～ 2 倍，出口延长 5～ 6 倍，保证出口边界没有回流。 （如图 24） 图 23 计算区域选取示意图 图 24 平直翅片管式换热器单元结构 14 平直翅片管数学模型描述与简化假设 基本简化假设与定解条件 ① 忽略翅片和基管之间的接触热阻，认为翅片根部及翅片翻边部分温度与铝制管壁为恒壁温条件 318 K，翅片表面温度分布由翅片导热及其与空气对流换热耦合求解得到； ② 空气进口温度为 308 K； ③ 由于空气在换热器内流速不高及翅片间隙很小，假设流动为稳定的层流； ④ 由于流动过程中空气的温度变化不大，取空气为常物性。 （空气物性参数如表21）； ⑤ 对辐射换热和重力影响忽略 不计。 表 21 空气物性参数（常物性） 项目 数据 密度ρ / kgm 3 粘度μ / Pa s 10 5 比热 Cp/ J (g K) 1 导热系数λ / W (m K) 1 进口流速 u / m s1 ～ 基本控制方程 本文计算为三维流动，假设空气流动是不可压缩、层流且为稳态流动，由于进口延长区的存在，认为翅片区域通道内的流动与换热已进入周期性的充分发展阶段。 控制方程如下： (1) 连续性方程，又称质 量方程，任何流动问题都必须满足质量守恒定律。 该定律可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。 对于本文研究问题可简化为： 15 0 zyxu  (2) 动量方程，也是任何流动系统都必须满足的基本定律。 该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。 表示如下： (3) 能量方程，是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。 该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入 微元。