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1、西安石油大学本科毕业设计论文 波纹翅片的传热与流动特性研究 摘要；近些年来能源与环境问题日益加剧,保护环境、降低能源消耗成为当今世界的主题,因此各行业的学者都肩负减少能耗的重任。板翅式换热器是在20世纪问世的, 由于其在节省能源与材料方面的优越性，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航天等各领域已经获得了广泛的应用。翅片管换热器在制冷、空调等领域广泛应用。波纹翅片是这种紧凑式换热器的翅片类型中的一种, 它增加了传热面积和扰流的程度，对换热器的性能有很大的提升。本文应用FLUENT软件针对波纹翅片管换热器空气侧换热进行数值模拟。并研究Re数、管排数和管径等参数对空气侧传热和流动特性的影响。同时
2、对不同尺寸的波纹翅片进行了数值模拟分析并计算出各个模型的换热因子 j 和阻力因子f，根据他们的数值判断翅片在该模型下的性能优略。最后考察了波纹形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。关键词： 波纹翅片； 数值模拟 ；换热因子； 阻力因子；换热性能 study on heat transfer and flow of wavy finsAbstract；In recent years, energy and environmental issues increase, protecting the environment and reducing energ
3、y consumption are the themes of the present world.Plate-fin heat exchanger appears in the 20th century ，because of its superiority in terms of saving energy and materials. Now it is used widely in various fields such as petrochemical, Energy and Power, metallurgy, Refrigeration, aerospace,because of
4、 its superiority in the saving of energy and materials. Scholars in various industries have to shoulder the heavy task of reducing energy consumption. Fin-and-tube heat exchanger is widely used in refrigeration, air conditioning .The wavy fin is one of fin types on this compact heat exchanger. It in
5、creases the heat transfer area and the degree of spoiler, and improves the performance of the heat exchanger greatly. In this paper, FLUENT is used to simulate the wavy fin-and-tube heat exchanger, . Based on these results, the effects of Reynolds number, tube row number, tube diameter and other par
6、ameters on air side heat transfer and flow characteristics are studied. At the same time, I have carried out the numerical simulation analysis on different geometric dimensions of the wavy fins,I calculated the heat transfer factor j and resistance factor f of each model. According to their value we
7、 can judge the performance of that model. Finally, examine the corrugated form of tube rows, fin spacing, the projected length of the crest to trough and crest to trough height effects on flow and heat transfer performance.Keywords；wavy fins；numerical simulation；heat transfer factor； resistance fact
8、or；heat transfer performance 目 录 第一章 绪 论1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 波纹翅片的特点和应用场合2 1.3 研究现状2 1.4 本文的研究工作7 第二章 数值模型的建立与计算方法8 2.1 概论8 2.2 波纹翅片管换热器物理模型立8 2.3 相关参数的确定9 2.4 物理模型的边界条件及初始条件 10 2.5 利用数值计算方法简介 11 2.6 CFD简介 13 2.7 fluent软件概述及GABBIT简介14 2.8 翅片管强化传热的数值解法 16 第三章 数值计算的结果与数据分析 19 3.1 光滑波纹翅片管翅式换热器 19 3.2 6
9、排管光滑波纹翅片管翅式换热器数值计算20 3.3 几何参数对波纹翅片管翅式换热器的换热阻力性能的影响 24 总 结31 参考文献31致 谢34格式 第一章 绪 论1.1课题背景及研究意义 板翅式换热器是在20世纪问世的,由于其在节省能源与材料方面的优越性以及具有体积小，重量轻、效率高等突出优点，如今在石油化工、能源动力、冶金、制冷、航空航天、原子能和机械等各领域已经获得了广泛的应用。并在利用热能、回收余热、节约原料、降低成本以及一些特殊用途上取得了显著的经济效益板翅式换热器的性能主要取决于翅片表面的传热与流动特性。波纹翅片是板翅式紧凑换热器中的一种常见的翅片类型,它在增加传热面积和加强扰流方面
10、有很好的表现。 换热器在动力、能源、化工等工业领域中具有重要的地位。统计显示,在现代化学工业中,换热器投资金额占设备投资的30%,炼油厂占40%1左右,海水淡化设备中占比例更高。因此,换热器的换热性能与公业业发展关系密切。由于工业领域对换热器设备的不断需求与目前世界范围内能源紧缺之间的矛盾不断恶化,使强化传热技术在工业领域起着重大的作用。它在上世纪八十年代发展起来,到目前为止,世界各国都在深化传热技术上不断深入研究。其标是达到在最节省能源的前提下获得较多的能量，保障设备的有效运行。所以,强化换热技术已经成为当今科学领域中的研究热点。翅片管的优点:(1)结构紧凑。由于单位体枳传热而加大,传热能力
11、增大,同样热负荷下与光管相比,翅片管换热器管子少,因面结构紧凑,便于布置。(2)传热能力强。与光管相比，传热面积增大2-30倍，传热系数提高。(3)有效合理利用材料。可以利用不同材料的特性，自由选用材料。(4)减少结垢。传热左比光管小,便于减轻管外表面结垢。另外，翅片管受热冷却后,翅片根部垢层断裂，自行脱落。翅片管的缺点:造价高,流动阻力大。因此应适当选择造型,降低能量消耗。 本文主要研究的翅片管换热器,它在动力、制冷、空调等工业领域广泛采用。制冷剂或水在管内流动,管外翅片间通道内流过空气,通过翅片、管壁与管内的制冷剂或水进行热量交换。由于空气的导热系数相对较小,故翅片管换热器的主要热阻位于空
12、气侧,因此,强化空气侧换热效果是提高换热器总体换热性能的有效手段。格式应该是两端对齐1.2波纹翅片的特点和应用场合1.2.1 波纹翅片的特点波纹翅片的纵向呈波纹状,流体在其中流动时，流向就会不断地改变以促进湍流形成,波峰和波谷处的边界层可有微小破裂.这样由于不断改变的流向而产生二次流及边界层分离，达到增强传热效果的目的。波纹越密，波幅越大，其增强效果也越大。但同时带来的问题是流动阻力也会很大，对材料的强度是一个挑战，所以不能无限制地增大波幅和波纹密度，应该使二者都尽量合适才是最好的。另一方面，波纹翅片相比平直翅片来说，换热面积也增大了不少，这也是它增强换热的一个原因。但是材料消耗比平直翅片大，
13、不过跟它带来的换热效果相比，这点消耗也是相当值得的。1.2.2 波纹翅片的应用场合 和平直翅片相比, 波纹翅片的具有更好的换热性能和流动特性，因此波纹翅片在各类强化换热场合中的应用比较广泛, 也是研究关注的热点之一。波纹翅片最主要的用途是用于板翅式换热器，可以增强换热器换热效果。1.3研究现状1.3.1国外实验及模拟研究进展1973年,Rich2实验研究14种不同结构平翅片,结果表明,在其研究范文内，,翅片间距不影响传热效率,单根管子的压降和管排数无关。1974年,Saboya3等首次在复杂的单排平翅片管换热器的翅片侧利用实验定量计算局部传热系数,总结出翅片表面局部Sh数的分布;得出翅片管上游
14、的局部换热系数较高,下游的局部换热系数较低。1978年,McQuiston4得出特定结构参数下的翅片换热及压降关联式。而后Xu5模拟研究空调单元中蒸发器的湍流流动。利用热线风速仪技术得到平均速度值和流动的湍流参数,由于凝结物的影响,实验结果会有流动干扰;运用U-e瑞流模型榄拟空调单元空气流动，得到的结架十分准确,再加上QUICK方法得到的平均速度提供了更加准确的结果。另外,混合网格能快速达到收敛,并很好与实验结架达到一致。1995年,Bakui等6利用有限体积法模拟横内的导热、对流和福射换热。虽然福射换热总换热量的30%,但不考虑福射换热但不会影响结果的精确度。1996年,Rammohan R
15、ao等7实验研究水平翅片自然对流和福射换热的关系。借助干涉仪和数侦微分方获得对流换热量和福射换热量，并得到Nu和Re的关联式。1998年,Abumadi等8人提出前人得到的换热及压降关联式对结构参数耍求过十局限,对28种不同结构参数的翅片管换热器进行实验,风速范围内为l-20m/s,分析管排数、翅片的厚度、翅片间距以及管排间距等参数对换热因子与摩擦因子的影响。实验表明:翅片类型影响换热因子和摩擦因子,管排数对阻力系数几乎无影响;翅片厚度越小,传热性能越好。同年,Meyer9采用实验研究了空气的入口尺寸和出口速度分布都影响换热器的空气流动特性。Atkinson等10对百叶窗形式的翅片管换热器用S
16、tar-CD进行了二维与二维数值模拟。1999年,Wang等11提出,通过增加翅片密度并促进流体瑞流,可以增加紧凑型气-气换热器:侧流体的换热面积。增加翅片密度形式多样,例如平翅片、条缝翅片、西叶窗翅片等等。该作者在原有气换热器基础上,用三种方法增加条缝翅片,做大量实验检测换热器性能,实验结果表明:换热系数和压降值随翅片密度的增加相应增大。2000年,Roniero-Mendez12通过流动可视化模拟计算考察单排翅片管换热器管外侧翅片间距对换热性能的影响。利用局部Nu数表示翅片表面对流换热分布,结果表明,在涡流位置Nu数达到高峰值,在管尾部区域Nu数很小。2001年,Meyer13又对翅片管换
17、热器的入口处中气流动损失进行实验研究,发现入口交气流动损失量与通过换热器的中气平均速度无关,而与入口处空气和进口的倾斜角有关;利用实验结果总结出无量纲压降报尖系数。在文献14中,作者对9种结构不的双金属螺旋翅符进行了传热和阻力性能的分析。水在管内流动,交气垂直流向管子,为获得传热系数采用NTU法,给出了气侧压降关于几何参数的关联式。结来表明,空气侧的传热系数比文献中关联式大20%左右，;空气被冷却得到的换热系数比空气被加热得到的换热系数大。2005年,Kim等15对具有大尺寸翅片问距的9翅片符换热器进行了实验研究。测试了 22个换热器,它们的翅片问距、管排数、管排列形式等结构参数不同。研究发现
18、,翅片TllMi降低,管排数培加,其余结构参数不变的情况下,空气侧换热系数降低:针对不同排管的换热器,以管外径为均最进径,Re数变化范围从500到900,翅片间距.从l5.0iTim降低到7.5mm,空气侧换热系数会降低大约10%;同翅片间距情形下,管排数从1增加到4,换热系数会逐渐降低;与顺排换热器相比,叉排换热器提高了换热性能。2007年,Sahin等16三维数值模拟研究平翅片管换热器进口角度和换热特性的关系。2009年,Naphon17值模拟研究波纹片结构参数对温度和流动分的影响。得出在热流条件情况下,流体流过波纹片,不断破坏热边界条件:波纹夹角的大小影响换量。所以,V型波纹片是增强换热
19、和加强换热器紧密性的好方法。2010年,Choi18等对34个不同结构尺寸的换热器进行实验研究,得出结论:不连续的翅片换热器的j因子方程式与式结构尺相关,对于翅片间距从7.5mm变化到15mrn的情况,不连续平翅片换热器的j因子比连续平翅片管换热器的J因子高6.0%-11.6%。2010印,BoiTajo-Pelaez等19对平翅片管空气侧换热特性模拟。以前对空气侧换热特性的模拟只是分析换热器空气侧,而把翅片与管壁温度设为定值。该作者模拟的目的是证明只考虑空气侧的情况与同时考虑空气与水侧流动特性的情况存在不同,从数、翅片间距、管径尺寸、翅片长度和翅片厚度等几个方面讨论,得出换热值更加精确,更好
20、的预测换热性能,该文章的模拟效果更接近实际情形。2011年,八Aris20提出,空气强制对流散热管冷却系统在电力电子设备(例如微处理器和IGBT)中扮演着卒要的角色。由于设备运行中热量散失增加,需要研究新方法提高冷凝器的换热性能。作者研究了在翅片表面开厂角翼处理,这一设计形成的纵向祸流促使冷热流体的混合,强化了换热。2012年,Aslam Bhutta21总结CFD在换热器研究领域的应用以及实现模拟效染所使)U的算法。通过前人的模拟结果可知CTD软件是展示换热器性能的有效工具。1.3.2国内研究现状和数值模拟 数值模拟的基础是数值传热学，数值传热学是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法
21、，通过计算机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（例如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程从而获得求解变量的近似值。数值模拟研究方法主要集中在下面两个方面： （1）几何参数对换热及流动的影响； （2）雷诺数 Re 对换热及流动的影响。 通过数值模拟可以得到整个流场的基本信息，再通过计算得到想要的性能参数（如 Nu、压差 p、换热因子 j、阻力因子f 等等），对这些数据进行对比观察，得到所要结果。王先
22、超、水黎明22等人，通过对波纹翅片数值模拟的分析,得出了影响波纹翅片换热因子j和阻力因子f 的因素,同时把不同雷诺数Re下的波纹翅片与矩形翅片（即平直翅片）、矩形开缝翅片（平直翅片开缝得到）进行了分析比较。结果发现：翅片厚度对波纹翅片的换热因子j 和阻力因子f 影响不大,但翅片间距sf对波纹翅片的阻力因子 f 影响较大；雷诺数 Re 在 4002000 范围内时,波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 228 倍之间,阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 284 倍；雷诺数在 200010000 范围内,波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 228 倍之间,阻力因子 f 是同
23、雷诺数下矩形翅片的 354 倍；波纹翅片与矩形开缝翅片的阻力因子 j 随雷诺数的变化很小,两者非常接近。李媛23等人以 3 种常见的翅片类型(平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片)为研究对象,利用标准k-双方程湍流模型求解三维Navier-Stokes方程,采用计算流体动力学(CFD)方法模拟和分析了板翅式换热器单通道中，不同结构参数和操作参数对翅片表面换热与流动的影响 ,并将不同实验参数下的数据制作成曲线图表,发现3种翅片的换热因子 j 和阻力因子 f 随雷诺数 Re 的增大而递减，这与他们的实验24得出的结论是一致的,这就说明了：将数值模拟方法应用于翅片表面换热和流动特性研究是可行的。然后进一步分
24、析了波纹翅片的波幅与翅片间距对其表面换热与流动性能的影响规律，结果发现：波纹翅片的波幅越大、翅片间距越大,换热因子 j 越大，即传热效果越好。最后把3种翅片在相同操作条件下的j因子和f因子进行比较发现: 锯齿翅片和波纹翅片的传热性能优于平直翅片, 说明改善换热器换热表面的几何形状对板翅式换热器的性能影响至关重要。王维斌、傅宪辉、吴茂刚25等人以波浪形翅片和人字形翅片为研究对象,在合理简化条件下给出了物理模型和数学模型,通过对不同进口风速下翅片通道的换热和流动特性进行了数值模拟研究。通过对传热系数,Nu数，压降以及涡量分布的对比分析,结果表明:波纹翅片改变了流体的流向,增加了换热面积,增强了流体
25、扰动,由于漩涡的形成与分离,减薄或者破坏了热边界层的连续发展,使其换热特性得到有效强化；同时也增大了阻力损失,但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。随着风速的增加,翅片表面的换热系数、Nu 数以及压降也随之增加。在相同的模拟条件下,人字形翅片的换热性能高于波浪形翅片,但是阻力损失却相差不大,波浪形翅片在减少流动损失方面没有很大的优势。两者流动与传热特性的差别,主要是因为翅片流场中漩涡的形成与脱落存在差异。黄小辉、毕小平26等人通过建立一个板翅式机油散热器冷却空气侧波纹翅片通道的稳态湍流数学模型。作者以波纹形翅片表面为研究对象,利用 Fluent 软件，进口条件设置为流量进口，出口条件为压力出
26、口，翅片表面和隔板设置为壁面，并在进出口处分别设置延伸段来使流场充分发展。采用标准 k-湍流模型和 SIMPLE 算法求解三维Navier-Stokes方程,模拟和分析了板翅式散热器双通道不同参数对翅片表面传热与流动阻力的影响，发现：阻力系数随着进口流速的增大而减小。通过分析得到了阻力系数与平均流速的拟合函数，计算结果与实验数据基本吻合，更进一步说明 CFD 方法的可行性。总之，可供使用的多种翅形 j 因子和 f 因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限因此，应用计算流体力学(CFD)，流动可视化技术和模拟测试来研究翅片换热和流动的本质，并建立 j 因子和 f 因子数据库将是今
27、后十分重要的工作。从上述的文献综述可看出,大量学者对翅片管换热器的换热特性进行研究并取得了一定的成果,但还存在如下儿个问题:(1)目前对平翅片?管换热器的流动与换热特性研究得比较多,对波纹翅片管换热器的研究还不够完善,或者说针对波纹翅片管换热器的换热机理研究不够;(2)多数文献中针对管排数较少的翅片管换热器研究,而对多管排形式下的翅片管换热器研究较少;(3)目前对波纹翅片管换热器表面的流动与换热特性的研究主要集屮在实验研究方面,由于其结构的复杂性,数值模拟工作开展的较少。然而实验只在一定范围内对换热及肌力特性进行研究,获得具有很大局限性的经验关联式,对于多管排形式下的换热器中各管区域的换热特性
28、不能进行细致的研究。1.33翅片管式换热器及发展趋势 20世纪60年代以前，普通的翅片管式换热器多采用表面结构未做任何处理的平翅片，这种形式的翅片除增大换热面积来达到强化传热的效果以外，再无其他强化传热作用。 直至目前，这一方法仍是所有各种管式换热面强化传热方法中运用的最为广泛的一种。翅片管式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地发现之一。它不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也有很大的价值。 通过调整换热器的翅片间距，设计成为变翅片间距，实现结构优化，并对其换热性能与改进前换热器进行对比计算，提高了换热器的传热系数。本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器。当气流通
29、过蒸发器时，由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积，空气由于除湿作用相对湿度降低，沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的，如果采取变片距结构，可以在结霜条件下保持其较高的传热效率，并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时，实际上已构成了翅片的错列分布，当空气横掠错列翅片时，翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用，由于前面翅片的绕流，翅片的前半部分换热加强，后面的翅片的分布又使得流道变窄，流速提高，翅片后半部分的换热也得到强化。 通过变翅片间距的结构改进，冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下，在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数，且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅
30、片间距结构冷风机的传热系数提高了9.8，且传热面积有所提高，通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的。 加强管内流体流动，管内壁加工变螺距内螺纹。在不增大整体设备尺寸的前提下，增加其内表面换热面积，加强管内流体的扰动，在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时，管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面，对于缩小换热器体积，提高换热器效率有很重要的作用。目前，已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等等。 管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面，综观各种不同形状的强化管，其共同特点是在
31、兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增加，并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素，它产生于靠近管壁的层流底层，并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋，会破坏贴壁层流状态，抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄，而绕流作用使流体产生轴向旋涡，可致使边界层分离，流体主体径向温度梯度减小，有助于热量传递的进行。 在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹，不但可以扩大管子的内表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，内部有螺纹所以内壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管内的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管内对流
32、换热系数。同时，因为采用变螺距，沿着流体流动方向螺距从大变小，这样可增强流体的扰动，强化流体的换热系数。1.4本文的研究工作综上所述，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FLUENT6.3商业软件对波纹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，得出波纹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
33、表面换热设备的选择提供参考依据。最后考察了波纹形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。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，建立波纹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. 根据设备中常见的整体式波纹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 Upwin
34、d）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，为工业应用上波纹翅片管结构的设计和改进、优化分析提供理论依据。 第二章 波
35、纹翅片管换热流动模型建立与分析2.1 概述波纹翅片通道内的传热在达到稳定后，可以看作是稳态导热、强化对流换热与辐射换热的耦合问题。本文的模型研究的问题的难点在于：（1）空气与翅片的交接面是导热和对流的耦合面；（2）翅片的形状很复杂，流体的流动过程会出现各种形态，例如混流、分流、交叉流、漩涡等；（3）换热方式包括了三种基本换热方式，而且每个表面不是单一一种换热方式，而是两种或者两种以上同时存在。而是本文中的温度所在的区间是 298.15k353.15k，所以可以忽略辐射的影响。根据问题特点本文用有限容积法将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点做代表。通过将守恒型的控制方程对
36、控制容积坐积分导出离散方程。在导出过程中，需要对界面上的被求函数本身及其一阶导数的构成做出假定，此方法是目前流动与换热问题的数值计算中应用最广的一种方法。从历来的文献中可以找到很多利用有限容积法求解换热问题的例子，因此本文采用此方法利用 FLUENT 软件对波纹翅片的换热和流动特性进行数值模拟计算，得到不同参数下的波纹翅片的温度场和速度场，进而分析出各个几何因素对翅片性能的影响规律。Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件，在美国的市场占有率为 60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计
37、、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。CFD 商业软件 FLUENT，是通用 CFD 软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使 FLUENT 得到了广泛的应用。2.2波纹翅片管换热器物理模型的建立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
38、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：(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体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。表示如下：其中：u、v、w分别是速度矢量在x、y、z三个方向上的分量； 是密度； P是作用在微元体上的压力； a是热扩散率； T是温度。公式编译器里面的大小调一致，下同2
39、.3相关参数的确定(1) 当量直径： 本文当量直径取为翅片管外径De= Do= 15.88mm(2) 雷诺数： 其中：-空气密度，kg/m3； De-当量直径，m；Umax-流道最小截面空气流速，m/s；-空气粘度，PaS。(3) 努塞尔数： 其中： h-空气对流换热系数，W/(Km2)；-空气导热系数，W/(Km)。(4) 范宁阻力系数： 其中：P-流体进出口压降，Pa；w-壁面剪应力，N/m2；L-翅片纵向长度，S1。(5) 换热系数： 其中：-翅片与空气总换热量，w/m3；qm-质量流量，Kg/s；Cp-空气比热容，J(gK)- 1；Tin，Tout-空气进出口平均温度，KA-翅片与管壁
40、总换热面积，m2；tm-对数平均温差，K；Tb-翅片壁面平均温度，K。(6) j换热因子： 其中：Pr-普朗特数，。2.4物理模型的边界条件及初始条件为保证无回流，在空气流动的方向上，入口、出口做适当延长。边界条件的具体确定如下：(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。(2) 空气入口温度为300K，采用均匀来流的速度入口(velocity-inlet)，其中：u(x,y,z)|in=uin；v(x,y,z)|=0；w(x,y,z)|=0(3) 空气出口采用自由方式流出，采用局部单向化(out-flow)。(4) 对于翅片表面，翅片温度需要在
41、计算中确定，因而是一个耦合求解换热问题。在计算中，翅片和流体分别采用各自的导热系数。在GAMBIT中建立导热与换热混合边界条件，用Split Volume工具得到 Wall-Shadow耦合边界条件(Coupled)，这种边界条件可以实现流体和固体的耦合换热。(5) 由于翅片很薄，忽略翅片端部传热，认为绝热条件(Heat-flux为0)。(6) 对于翅片间距中剖面采用对称边界条件(Symmetry)。(7) 对于Y方向上的空气流道和进出口延长区均采用对称绝热边界条件。2.5利用数值计算方法简介数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数
42、学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差，但由于它在求解复杂微分方程时的独特优势，依然得到广泛的应用，并且通过CFD软件得以商业化运行。目前，根据对控制方程离散方式的不同，对流换热问题应用研究中所涉及到的常用的数值计算方法主要有以下几种 ： （1）有限差分法(Finite Difference method,FDM) 有限差分法是求取偏微分方程数值解的最古老的方法，对简单几何形状中的流动与传热问题也是一种最容易实施的方法。其基本思想是将求解区域用网格线的交点所组成的点的集合来代替，以Taylor级数展开等方法，把描写所研究的流动与传热问题的
43、偏微分方程中的每一个导数项用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组，其中包含了本节点及其附近一些节点上所求量的未知值。求解这些代数方程组就获得了所需的数值解。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。在规则区域的结构化网格上，有限差分法是十分简便而有效的，而且很容易引入对流项的高阶格式。其不足是离散方程的守恒特性难以保证，而最严重的缺点则是对不规则区域的适应性差。(2) 有限容积法(Finite Volume Method，FVM) 有限容积法又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区
44、域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。有限容积法从描写流动与传热问题的守恒型控制方程出发，对它在控制容积上作积分，在积分过程中需要对界面上被求函数的本身（对流通量）及其一阶导数的（扩散通量）构成方式作出假设，这就形成了不同的格式。由于扩散项多是采用相当于二阶精度的线性插值，因而格式的区别主要表现在对流项上。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，对区域形状的适应性也比有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法。(3) 有限元法(Finite Element Me
45、thod，FEM)有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。有限元方法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展慢慢用于流体力学的数值模拟。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看为由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成。除以上三种数值计算方法外，还有有限分析法等27。有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有
