基管对单排矩形翅片管流动与换热特性的数值模拟重点讲义

1、基管对单排矩形翅片管流动与换热特性数值模拟摘要随着我国科技、经济的迅速发展以及能源的日益紧缺，对各个领域中广泛应用的换热设备强化技术的研究也越来越迫切，而平直翅片管式换热器作为热力系统和制冷空调装备中的一个重要部件，所以对它的研究受到了科研人员的青睐。平直翅片管式换热器有着诸多优点，承受高温高压、适应性强、工作可靠、制造简单、生产成本低、选材范围广等使它在能源、化工、冶金、石油等领域得到广泛的应用。因而，对其翅片管流动与换热特性的研究具有十分重要的意义。本文通过运用CFD软件对单排矩形翅片管换热特性进行了数值模拟，探讨基管相对于翅片前缘位置的改变对翅片表面的对流换热、翅片效率产生的影响。通过数

2、值模拟分析得出入口流速、翅管管径以及基管离翅片入口段的不同位置l/d对流动换热的影响，得到了雷诺数Re与努塞尔数Nu、阻力系数f的关系，分析翅片位置、翅管管径等因素对平直翅片管流动与换热性能的影响，得出换热性能最优的翅片结构，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。关键词：数值模拟，平直翅片管，翅片效率，流动换热Single Row of Rectangular Base Pipe Finned Tube Flow and Heat Transfer Characteristics SimulationAbstractWith the rapid development

3、of science and technology, economy and the growing shortage of energy research in all areas of heat transfer equipment is widely used to strengthen the technology more and more urgent, straight fin and tube heat exchanger as a thermodynamic system and refrigeration and air conditioning equipment is

4、an important component, so its research favored by researchers. Straight fin tube heat exchanger has many advantages, withstand high temperature and pressure, adaptable, reliable, simple to manufacture, low production cost, wide selection range to make it widely in the energy, chemical industry, met

5、allurgy, oil and other fields application. Thus, the great significance of the research and its heat transfer characteristics of finned tube flow.By using CFD software on a single row of rectangular fin tube heat transfer characteristics are simulated to explore the impact of the base pipe with resp

6、ect to the change in position of the leading edge of the fin on the convective heat transfer fin surface, fin efficiency generated. Numerical simulation analysis was the entrance flow rate, pipe diameter and wing base pipe from different locations l inlet section of the fin / d impact on the flow an

7、d heat transfer, has been the Reynolds number Re and the Nusselt number Nu, the relationship between the resistance coefficient f impact on the straight fin tube flow and heat transfer performance analysis of the position of the fins, fin tube diameter and other factors, obtain optimum heat transfer

8、 performance of the fin structure for industrial application design straight fin tube structure and improvements to optimize the analysis provides a theoretical basis.Keywords:numericai simulation, straight fin tube, fin efficiency, flow and heat transfer中北大学2016届本科毕业论文目 录1 绪论111 课题的研究背景及意义112 平直翅片管

9、换热器的研究进展113 本文的主要研究内容32 平直翅片管数值模拟及CFD简介421 常用数值模拟计算方法简介422 CFD概述52.2.1 计算流体动力学简介52.2.2 计算流体动力学的优点52.2.3 CFD软件介绍523 FLUENT软件概述及GAMBIT简介63 平直翅片管换热流动数值模拟731 几何模型73.1.1 模型的建立73.1.2 网格的划分832 数学模型93.2.1 基本假设及控制方程93.2.2 边界条件和物性参数的确定103.2.3 计算方法及收敛标准1133 相关参数的确定114 数值模拟计算结果及分析1341 进口风速与基管位置变化对平直翅片管换热特性的影响13

10、4.1.1 不同进口风速和翅片管位置的计算结果134.1.2 计算结果分析144.1.3 翅片表面的温度分布和翅片间的速度分布164.1.4 翅片效率的比较1942 基管管径变化对平直翅片管流动与换热特性的影响分析20第 I 页 共 II 页4.2.1 不同管径的计算结果204.2.2 计算结果分析214.2.3 不同管径下翅片表面的温度分布和翅片间的速度分布224.2.4 不同管径下的翅片效率的比较265 全文总结与展望275.1 本文主要内容与结论275.2 对未来研究的展望27致 谢28参 考 文 献29第 II 页 共 II 页中北大学2016届本科毕业论文1 绪论11 课题的研究背景

11、及意义换热设备广泛应用于能源、化工、石油、冶金等各个领域。据统计，在现代化工企业中40%-60%的设备属于换热设备。换热器是工业传热过程中必不可少的设备，广泛应用于各工业部门。随着科学技术及工业的发展，迫切需求换热设备紧凑、轻巧、高效并小型化，翅片管换热器成为了人们关注较多的高效换热器。其中翅片管作为翅片管换热器的核心元件，其质量的优劣直接影响到换热器的工作性能1。因此本文通过运用FLUENT软件在基管变化时对矩形翅片管流道内流动与换热性能进行数值模拟，以确定在何种情况下，换热与热阻效果最佳，从而提高换热效率，增加经济效益。12 平直翅片管换热器的研究进展国内外学者从试验和数值模拟两个方面，对

12、平直翅片管通道内流体的流动与换热特性进行了广泛的研究。1973 年，Rich2对管径为13.3mm，管排间距为27.5mm和管列间距为31.8mm 的16种不同结构的平直翅片管换热器进行了试验研究，实验结果表明：翅片间距对换热系数有着显著的影响，而管排数对空气压降的影响甚小。1974年，Saboya3利用实验对平翅片管换热器单、双排管进行研究，指出流体边界层的发展对单排管的换热特性影响很大，同时得出只有在较高的雷诺数时，涡流才会对流动及换热特性产生影响。1994年，Torikoshi4对单管平直翅片板间通道进行了三维数值模拟，实验表明：只要翅片间距足够小，管子后漩涡将被翅片的壁面效应所抑制，此

13、时整个流场将处于层流状态。同年，康海军等5研究3种翅片间距和3种管排的9个平直翅片管换热器的换热和阻力特性，发现片间距对传热的影响依赖于临界雷诺数，对于层流，翅片间距增加，换热下降，阻力减小，同时，提供了其试验雷诺数(Re)范围内的换热系数和阻力系数的关联式。1998年，王厚华等6通过实验研究了空气外掠矩形翅片单排管时翅片管的流动与换热特性，发现在基管尾部区域存在流动死区，这个区域可使换热恶化。另外，尾流区域内流体温度远高于翅片表面平均温度，这说明热流体在尾流区内形成流动死区，在使换热恶化的同时增加了外耗功率。因此，减小尾流区可明显提高矩形翅片单排管的换热情况，并减小外耗功率。2000年，Ri

14、cardo7利用试验及数值方法，对翅片通道间的流动及换热进行研究，揭示了翅片间距对传热及流阻的影响。2002年，宋富强8用三维适体坐标网格生成技术对翅片管散热器流体在低速下流动和换热进行了数值模拟，得到了流速与换热系数的关系，并首次利用场协同原理进行了分析。2003年，何江海等9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1.03.0m/s时的温度与压力分布特性，并由计算结果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。2006年，徐百平等10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

15、思想。2012年，崔延军11通过实验表明，管外空气的平均对流换热系数和进出口压降误差均在10左右，说明数值分析具有一定的可信性；横向管排间距、纵向管排间距对综合性能评价因子Nu/Eu/S与h/p都是逐渐增大的，但是当翅片间距增大到一定值时，其增大幅度减小；入口空气流速的增大可以使换热增强，但是阻力增大幅度相对更大，进口空气温度的升高使换热效果变弱，阻力增大；材料的导热系数越好，换热效果越好。2014年，陈富强等12利用Fluent软件，在椭圆周长给定的情况下，对椭圆基管长短轴比（3，4，5，6，10）不同的椭圆矩形翅片管外空气侧层流流动与换热进行数值模拟研究，分析了椭圆管长短轴之比K和雷诺数R

16、e对翅片管空气侧换热和流动的影响。结果表明：在椭圆管等周长的情况下，长短轴之比K越大，综合性能越高。综上所述，前人对平直翅片管式换热器的研究多数集中于管排数、翅片间距、管子排列方式等几何参数对换热流动阻力的影响分析,而对于翅管相对于翅片入口端位置的变化及翅管管径的改变对换热及流阻影响的分析鲜有报道。本文将考虑翅片的管径大小相对于翅片宽度以及管位置相对于翅片入口端部位置的变化对单排平直翅片换热器通道内的流动与换热进行数值研究。13 本文的主要研究内容 影响翅片管的换热及阻力特性因素众多，翅片管式换热器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以及国

17、内外在实验与数值模拟方面发展状况的分析，本课题应用FLUENT软件对单排矩形翅片管流动与换热特性的数值模拟，了解用数值方法研究翅片管换热问题的优越性并掌握数值解法的基本原理，分析基管位置及基管的直径变化等因素对矩形翅片管换热及流动性能的影响，为单排矩形翅片管强化换热和优化设计提供理论参考。具体内容如下：1、翅片参数不变，基管位置前置和后移时，模拟分析翅片管的流动与换热特型，得到相应的换热系数、阻力系数和效率；2、翅片参数不变，基管的直径发生变化时，得出换热能力和阻力特性的变化规律以及效率的变化趋势。2 平直翅片管数值模拟及CFD简介21 常用数值模拟计算方法简介数值解法是一种离散近似的计算方法

18、，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，对流换热问题应用研究中，根据对控制方程离散方式的不同，所涉及到的常用的数值计算方法主要有以下几种13：1、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早的方法，同时也是对简单几何形状中的流动与传热问题一种最容易实施的方法。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

19、法，由于其数学概念相对直观，表达比较简单，故而是发展早且成熟的数值方法。在规则区域内，对于结构化网格，有限差分法是十分简便而有效的。其缺点是对不规则区域的适应性差且离散方程的守恒特性难以保证。2、有限容积法(Finite Volume Method，FVM) 有限容积法又称为控制体积法。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及其一阶导数的构成方式作出假设，这就形成了不同的格式。由于用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，同时对区域形状的适应性也比有限差分法要好，所以它是目前应用最普遍的一种数值方法。3、有限元法(

20、FiniteElementMethod，FEM)有限元方法是以变分原理和加权余量法为基础发展起来的，其基本思想是：把计算区域划分割成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进行求解函数的插值，将微分方程中的变量改写成其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，运用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。针对上述常用的数值计算方法，从实施的难易及发展成熟程度而言，有限容积方法研究最为活跃，用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理意义明确,计算量相对较小。故有限容积法是CFD进行数值计算采用最

21、多一种方法，其中最普及的Fluent软件就是其中之一。22 CFD概述2.2.1 计算流体动力学简介计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD这一始于本世纪三十年代到如今的计算机模拟技术，集流体力学、数值计算方法以及计算机图形学于一身，已经在各个工业领域得到广泛的应用。2.2.2 计算流体动力学的优点CFD适应性强、应用面广。首先，用CFD的方法可以找出满足工程需要的数值解法，而由于流动问题的控制方程自变量多，边界条件和计算区域的几何形状都较为复杂，因而很难求得

22、解析解；其次，CFD可利用计算机进行各种数值实验；同时，它也不受物理模型和实验模型的限制，有较多的灵活性，能给出详细且完整的资料，比较容易模拟特殊尺寸、高温、易燃、有毒等真实条件和实验中无法达到的理想条件。2.2.3 CFD软件介绍随着计算机技术的迅速发展，数值计算方法也变得日渐成熟起来，而后出现了基于流动理论的CFD软件。该软件专门用来分析流动问题，进行流场分析、流场计算、流场预测。通过CFD软件，可以清晰的显示发生在流场中的现象，在短时间内，可以预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。CFD的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题的机理，节省试验所需的人力、物力和时间，并能够对试验结

23、果的整理和得出结论起到很好的指导作用。CFD软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。（如图2.1）鉴于其多种优点，目前利用GAMBIT和FLUENT进行工程计算和模拟已经越来越广泛，其中本文就是基于Fluent软件来进行研究的。图2.1 CFD软件的一般组成结构23 FLUENT软件概述及GAMBIT简介FLUENT软件由美国FLUENT.Inc公司研发出的，它是继PHOENICS软件之后第二个投放市场基于有限容积法的的软件。FLUENT的前处理软件GAMBIT提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂几何模型进行网格划分。对于二维问题，可划分成三角形单元网

24、格和四边形单元网格；对于三维问题，可提供四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等网格单元。FLUENT还可根据计算结果调整网格，对网格进行整体或局部的细化和粗化，自适应网格就是计算到一定的步骤后对初算结果进行分析，自动在速度、压力等变化梯度比较大的地方增加网格密度，这样使问题得到快速合理的解决。GAMBIT这种网格的自适应能力可以使网格的生成变得非常简便，并对于精确求解有较大梯度的流场有很实际的作用。目前利用GAMBIT和FLUENT进行工程计算和模拟已经越来越广泛。3 平直翅片管换热流动数值模拟 在翅片管换热器中管外换热流动的影响因素较多，流体的流态也比较复杂，因此详细、准确的对平直翅片管的

25、流动和换热特性进行预测可以为设计更为高效的翅片管和评价翅片管性能优劣提供有力的支撑。 对翅片管管束结构进行数值模拟，有以下几个步骤:（1）建立物理模型。将实体结构进行一定的简化后，利用Gambit软件建立实体结构的几何模型，然后由实体几何结构的特点和计算要求确定出所需的网格类型和网格密度以及划分网格所采用的方法。（2）建立相应的数学模型。通过一定的简化假设，确定出可以反映各个物理量的关系的微分方程和所采用的计算模型。（3）确定计算方法以计算求解，包括对选取的微分方程进行离散化方法以及边界条件的设定，收敛标准的确定等等。（4）对计算结果进行后处理。通过后处理软对计算所得的速度场和温度场进行分 析

26、研究。针对本文的研究内容，根据上述所提供的数值模拟步骤，本章对计算所需的物理模型、数学模型以及计算方法介绍。31 几何模型3.1.1 模型的建立 平直翅片管式换热器在空调制冷、电子器件散热设备中最为常见。本文选择空调、制冷、通风和汽车等换热设备中广泛应用的平直翅片管为模拟计算的对象，图3.1(a)为单排管翅式换热器板芯结构，图3.1(b)一个对称单元模型。本文拟采用基管位置及管径变化在一定进口流速条件下对平直翅片管的流动及传热特性进行数值模拟。管子与翅片端部的相对位置为：/d=1、1.25、1.5、1.75、2，其中为管中心到翅片入口端部的距离。模型结构尺寸见表3.1所示。翅片和管的材质为钢。

27、 图3.1（a） 图3.1（b）图3.1 单排管翅式换热器板芯结构表3.1 计算模型的主要几何尺寸（单位：mm）结构参数翅片长度（L）翅片宽度（B）翅片厚度（）管的直径（d）尺寸30200.210本文所计算的平直翅片管几何模型的构造是通过Fluent软件的前处理软件Gambit实现的。根据平直翅片管的结构特性可以在直角坐标系下生成几何模型：由于管束通道结构的对称性，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。所以本文仅取一个单元周期区域研究即可，这可以大大减少所需的计算量。在Gambit建模过程中，

28、为了保证计算的稳定性及物理模型的可靠性，将进口区延长1至2倍管径的长度，出口区延长5至7倍管径的长度。加入进出口延长区是为了避免入口处的入口效应和出口边界处的回流现象对计算结果产生影响。3.1.2 网格的划分形成几何体后需要对模型进行网格划分。网格划分是数值模拟较为关键的一步，在整个数值模拟的过程中，网格划分占据一半左右的工作量。网格质量的好坏对仿真的精度及计算效率有重要的影响。首先对翅片表面进行网格划分，生成面网格，然后应用Cooper方法对整个几何体生成体网格。Cooper方法是根据源面上定义的网格节点模式扫过整个体而创建网格。它只需要将源面得到很好的网格，在定义扫描方向上的网格节点，最终

29、就能够获得较好的结构化体网格。本文对翅片管的计算区域采用结构化网格划分，在靠近基管壁面的地方由于流体粘性的影响，速度梯度比较大，在此处对网格进行加密处理，如图3.2所示，图（a）是计算区域的网格示意图，图（b）是翅片局部的网格示意图，图（c）是网格划分示意图。（a） 计算区域的网格示意图（b） 翅片局部网格示意图（c） 网格划分示意图图3.2 网格示意图32 数学模型3.2.1 基本假设及控制方程 为了便于计算，本文对平直翅片管的三维几何模型建立数学模型时做如下简化假设：（1）流动换热过程为稳态，流体为不可压缩的常物性空气，忽略重力影响； （2）忽略翅片与基管之间的接触热阻，可以近似的认为翅片

30、的根部温度与圆管外壁面的温度相同，不考虑基管与翅片的辐射换热；（3）翅片材料的物性参数为常数；（4）流体在固体壁面上没有滑移。本文计算所选取的外界风速范围是1.0m/s5.0m/s，由雷诺数的定义式计算可知：雷诺数在6453228之间，根据流体外掠管束时，当雷诺数在300到130000之间流动处于层流状态，在计算时选用层流模型，空气流过平直翅片管的流动换热问题的控制方程为：(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。对于本文研究问题可表示为：(2) 动量方程，也是任何流动系统都必须满足的基本定律。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

31、。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。3.2.2 边界条件和物性参数的确定在模拟计算时，需要对边界条件进行设置，具体如下：入口：控制体的入口设置为速度入口（velocity inlet），在整个截面上来流空气的速度均匀分布；出口：出口采用局部单向化条件，设为自由出流（outflow）；翅片：翅片与流体接触的表面采用自身导热和表面对流换热的耦合方式。翅片厚度的中剖面采用绝热边界条件。基管：忽略圆管的厚度，认为管内外壁面的温度一样，设定基管的壁面为恒壁温面，温度为373K。其余几何体模型表面均设置为

32、对称性边界条件（symmetry）。数值模拟计算所选定的材料物性进行如下设置：流体为空气，在温度为298K时的物性参数为=1.185，定压热容=1005，导热系数=0.026，动力粘度=1.835e-05。固体是翅片和圆基管。翅片和基管的材料均为钢，物性参数为=8030，定压热容=502.48，导热系数=16.27。3.2.3 计算方法及收敛标准对于求解压力速度耦合问题采用标准的SIMPLE算法，对流项的离散均采用一阶迎风格式。在设置控制方程中的亚松弛因子时，本文都选取其默认值。在本文中定义为:连续性方程：1×10-4；动量方程：1×10-8；能量方程：1×10-

33、8。如图3.3所示是翅片间距H=2mm时，在/d=1.5的翅管位置，雷诺数为645时计算收敛后的残差曲线图。图3.3 雷诺数为645时计算收敛后的残差曲线图33 相关参数的确定 (1) 当量直径： 本文当量直径取为翅片管直径De= Do= 10mm(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，Pa·S。(3) 努塞尔数： 其中： h-空气对流换热系数，W/(K·m2)；-空气导热系数，W/(K·m)。(4) 范宁阻力系数： 其中：P-流体进出口压降，Pa；L-翅片纵向长度，S1。(5) 换

34、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·(g·K)- 1；Tin，Tout-空气进出口平均温度，KA-翅片与管壁总换热面积，m2；tm-对数平均温差，K；Tb-翅片壁面平均温度，K。(6) 翅片效率： 其中：-翅片表面积，； 、是传热温差，。4 数值模拟计算结果及分析本章依据所建立的计算模型和设定的计算方法，利用FLUENT软件对研究对象进行具体的数值模拟，给出计算结果并加以分析。41 进口风速与基管位置变化对平直翅片管换热特性的影响本节在翅片间距H=2mm时，选取不同的进口风速，并改变翅管相对于翅片端部的位置进行数值

35、模拟，得出入口风速在不同的翅管位置下对管外空气流动和换热的影响。其中，管与翅片端部的相对位置为：/d=1、1.25、1.5、1.75、2，其中为基管中心到翅片入口端部的距离。选取的进口风速为：1.0m/s、2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s、5.0m/s，对应的雷诺数分别为645、1291、1937、2583、3228。4.1.1 不同进口风速和翅片管位置的计算结果在翅片间距H=2mm时，不同进口风速和翅管位置的计算结果如表4.1、表4.2、表4.3、表4.4、表4.5所示。表4.1 翅片间距为2mm，速度为1.0m/s（Re=645）时的计算结果管子与翅片端部的相对位置为（/d）11.

36、251.51.752阻力系数（f）0.28580.27230.29770.28970.3047努塞尔数（Nu）20.343821.900123.672325.240126.9679表4.2 翅片间距为2mm，速度为2.0m/s（Re=1291）时的计算结果管子与翅片端部的相对位置为（/d）11.251.51.752阻力系数（f）0.22370.21870.22840.22930.2371努塞尔数（Nu）23.942025.712827.743129.643131.4352 表4.3 翅片间距为2mm，速度为3.0m/s（Re=1937）时的计算结果管子与翅片端部的相对位置为（/d）11.251

37、.51.752阻力系数（f）0.17830.17900.18210.17970.1872努塞尔数（Nu）27.812029.708432.124334.173435.9746表4.4 翅片间距为2mm，速度为4.0m/s（Re=2583）时的计算结果管子与翅片端部的相对位置为（/d）11.251.51.752阻力系数（f）0.15260.15690.15450.15650.1657努塞尔数（Nu）27.812032.335635.088637.173438.9495表4.5 翅片间距为2mm，速度为5.0m/s（Re=3228）时的计算结果管子与翅片端部的相对位置为（/d）11.251.51.

38、752阻力系数（f）0.13710.14500.13700.13340.1443努塞尔数（Nu）34.043134.962838.052940.173341.92454.1.2 计算结果分析在不同翅管位置下，阻力系数f随雷诺数的变化关系如图4.1所示。由图可知，在雷诺数较低时，阻力系数的变化随翅管位置的改变较为明显；在雷诺数较高时阻力系数随翅管位置的变化相对平缓。入口风速的大小对翅片管外空气侧的阻力系数有较为明显的影响。进口风速的增大（雷诺数Re的增大）会导致流动阻力系数的下降。图4.1 雷诺数及翅管位置对阻力系数f的影响从图4.1中分析可知，当雷诺数一定时，阻力系数随管位置的后移有较为明显的

39、变化，随着翅管远离翅片端部，阻力系数逐渐增大，在l/d=2的翅片结构中阻力系数达到最大，l/d=1.25的翅片结构阻力系数最小。从阻力系数角度进行分析，进口风速较小时，靠近翅片端部布置翅管更有利于减小阻力系数。图4.2 雷诺数及翅管位置对努塞尔数Nu的影响如图4.2所示，是在不同翅管位置下，雷诺数对翅片努塞尔数Nu的影响。从图中可以看出，在同一翅管位置时，随着雷诺数的增大，Nu在逐渐增大；另外，管位置的改变对努塞尔数的影响较为明显，在同一雷诺数下，随着翅管远离翅片端部，Nu逐渐增大。 经计算得知，雷诺数分别为645、1291、1937、2583、3228时，随着雷诺数的增大，努塞尔数Nu增大的

40、幅度逐渐变小。但不管雷诺数的高低，在l/d=2的翅片结构中一直可以获得最大的努塞尔数，原因是随着基管远离翅片端部，绕过圆管而产生的尾流区对翅片换热的影响面积变小，低速尾流区面积减小，使得翅片间空气的平均温度降低，增强了翅片圆管和空气间的换热，从而表现出在l/d=2的翅片结构中得到最大的努塞尔数。从换热特性的方面来分析，选取较大的进口风速，并远离翅片端部布置基管，这样可以获得较大的努塞尔数，使得对流换热增强。 4.1.3 翅片表面的温度分布和翅片间的速度分布本小节选取进口风速为1.0m/s（Re=645）、3.0m/s（Re=1937）时，不同管位置下的翅片表面的温度分布及翅片间距中剖面的速度分

41、布图进行分析。如图4.3所示，是进口风速为1.0m/s和3.0m/s时，不同管位置下的翅片温度分布图。 /d=1.0 /d=1.0 /d=1.25 /d=1.25 /d=1.5 /d=1.5 /d=1.75 /d=1.75 /d=2 /d=2 (1)速度为1.0m/s （2）速度为3.0m/s图4.3 进口速度分别为1.0m/s和3.0m/s时的翅片温度分布图 由图4.3可知，在基管位置相同的情况下，随着进口风速的增大，管的迎风侧和背风侧的温度由高到低的区域变小，说明温度梯度有所增大，等温线的分布密集，这表明，随着雷诺数的增加，对换热起着明显的强化作用。从图中可以看出，在翅管迎风侧，温度梯度较

42、大，温度场等值线分布稠密，温度变化明显，由于存在入口效应，所以随着基管位置的后移，迎风侧的换热逐渐增强；而在翅管背风侧，温度梯度较小，等温线的分布稀疏，表明换热能力较差，随着管位置的后移，温度梯度增大，翅管背风侧的换热有所增强。在基管后背风侧的区域内，翅片的温度较其它位置的温度高（颜色加深），这说明在管子的背风面存在气体尾流区抑制了翅片的换热。随着基管位置远离翅片端部，翅管背风侧的气体尾流区面积逐渐减小，使得管后的换热增强。经分析可知，翅片的换热主要发生在迎风侧，背风侧的换热在整个换热过程所占的比例较小。 /d=1.0 /d=1.0 /d=1.25 /d=1.25 /d=1.5 /d=1.5

43、/d=1.75 /d=1.75 /d=2 /d=2 (1)速度为1.0m/s （2）速度为3.0m/s图4.4 进口速度分别为1.0m/s和3.0m/s时的翅片间距中剖面的速度分布图如图4.4所示，是进口风速为1.0m/s和3.0m/s时，不同基管位置下的翅片间距中剖面的速度分布图。空气流经翅片通道时，由于管的阻挡而出现了空气绕流的现象，气流向翅片两侧分开，由于流通截面面积突然减小，在这一狭小通道内空气的速度突然增大，速度最大值出现在管子两侧的中心位置，即流通截面面积最小处，随着迎面风速的增大，这一截面处的最大速度也呈现增长趋势。在翅管的背风侧形成尾流，在尾流区内，换热效果较差，此处的翅片壁面

44、不能被空气有效地冷却，使得管子后面的翅片面积不能得到有效的利用，故而管子的传热主要发生在管子的迎风面。随着空气流速的增加，空气的扰动增强，并减少了流动中的尾流区面积，从图中可以看出，进口风速为3.0m/s时翅管后的空气逆流区域的面积较进口风速为1.0m/s时的小，并且其速度梯度的变化更为明显，也反应出了较大的进口风速可以使换热增强。比较不同管位置时的情况可以得知，随着管远离翅片端部，管后速度为负值的区域不断减小，且管子迎风侧的速度在增大，表明换热有所增强，这与图4.3得出的结论一致。4.1.4 翅片效率的比较翅片效率是评价翅片换热效果的一个重要参数，同时也是判断换热设备几何形状及尺寸设计是否合

45、理的标准，其定义为：实际散热量与假设整个翅片表面处于翅片根部温度下的散热量的比值。显然，翅片效率越高，散热效果越好，几何形状及尺寸就设计得越合理。在不同翅管位置和雷诺数时，翅片效率的对比如图4.5所示。从图中分析可知，管位置的改变对翅片效率的影响较为明显，但并非管越远离翅片端部，翅片效率越高；在/d=1.25的翅片结构中各个进口风速下的翅片效率均为最大，管位置在/d=1.25后时，随着翅管离翅片端部越远，翅片效率反而逐渐减小。虽然管在远离翅片端部的位置其尾流区面积较小，努塞尔数值较大，但由于翅片前缘部分加长，翅片前端的温度会随着管位置的后移而逐渐减小，使其前端部分的翅片不能被有效的利用，其翅片

46、效率有所下降，即并非Nu数大的翅片结构，其效率一定高。图4.5 翅片效率的对比经过上述比较分析，在进口风速为一定的情况下，翅管位置变化时，管与翅片端部的相对位置/d=1.25时，可达到最高效率，此时换热性能最好。42 基管管径变化对平直翅片管流动与换热特性的影响分析 本节在翅片间距H=2mm时，选取不同的进口风速，并改变管径相对于翅片宽度的大小进行数值模拟，得出迎面风速在不同的管径下对平直翅片管空气流动和换热的影响。其中，管径与翅片宽度的相对大小为：d/w=0.1、0.3、0.5、0.7、0.9，其中w为翅片的宽度。选取的进口风速为：1.0m/s、3.0m/s、5.0m/s，对应的雷诺数分别为

47、645、1937、3228。4.2.1 不同管径的计算结果在翅片间距H=2mm时，不同进口风速和翅管管径变化的计算结果如表4.6、表4.7、表4.8所示。表4.6 翅片间距为2mm，速度为1.0m/s（Re=645）时的计算结果管径与翅片宽度的相对大小为（d/w）0.10.30.50.70.9阻力系数（f）0.5653380.9031361.5983623.40074016.00702努塞尔数（Nu）0.1072630.5842660.5091911.2957852.781469表4.7 翅片间距为2mm，速度为3.0m/s（Re=1937）时的计算结果管径与翅片宽度的相对大小为（d/w）0.

48、10.30.50.70.9阻力系数（f）0.3118190.5508251.0410292.32796511.76227努塞尔数（Nu）0.1813380.7469280.4087221.5720423.330193表4.8 翅片间距为2mm，速度为5.0m/s（Re=3228）时的计算结果管径与翅片宽度的相对大小为（d/w）0.10.30.50.70.9阻力系数（f）0.2474680.4810500.9131832.08160010.87233努塞尔数（Nu）0.6068771.1831260.2385001.5302613.5418434.2.2 计算结果分析在不同翅管管径下，阻力系数f

49、随雷诺数的变化关系如图4.6所示。从图中可以看出，随着管径的改变，阻力系数有着明显的变化。同时，外界风速对阻力系数也有一定的影响，当风速增大（雷诺数变大）时，会导致阻力系数下降。图4.6 不同翅管管径与阻力系数f的关系从图4.6中分析可知，在雷诺数一定时，阻力系数随管径的变大有着明显的变化，随着管径的变大，阻力系数逐渐增大，在d/w=0.9的翅片结构中阻力系数达到最大，d/w=0.1的翅片结构阻力系数最小。就阻力系数而言，管径较小更有利于减小阻力系数。如图4.7所示，是在不同翅管管径下与努塞尔数的关系。从图中可以看出，在同一翅管管径时，随着雷诺数的增大，Nu逐渐增大。另外，管径的改变对努塞尔数

50、的影响较为明显，在同一雷诺数下，随着翅管管径逐渐变大，Nu也逐渐增大。 图4.7 不同翅管管径与努塞尔数Nu的关系经计算得知，随着雷诺数的增大，努塞尔数Nu增大的幅度逐渐变小。但不论雷诺数的高低，始终在d/w=0.9的翅片结构中可以获得最大的努塞尔数，从换热特性这方面来分析，选取较大管径，这样可以获得较大的努塞尔数，使得对流换热性能增强。4.2.3 不同管径下翅片表面的温度分布和翅片间的速度分布本小节选取进口风速为1.0m/s（Re=645）、3.0m/s（Re=1937）时，不同管径下的翅片表面的温度分布及翅片间距中剖面的速度分布图进行分析。如图4.8所示，是进口风速为1.0m/s和3.0m

51、/s时，不同管径下的翅片表面温度分布图。 d/w=0.1 d/w=0.1 d/w=0.3 d/w=0.3 d/w=0.5 d/w=0.5 d/w=0.7 d/w=0.7 d/w=0.9 d/w=0.9 (1)速度为1.0m/s （2）速度为3.0m/s图4.8 进口速度分别为1.0m/s和3.0 m/s时的翅片表面温度分布图在管径相同的情况下，对比不同进口风速时的翅片表面温度分布图可知，随着进口风速的增大，翅片管的温度逐渐上升，说明雷诺数的增大对翅片管的换热性能有着显著的影响。当速度一定时，随着管径的变大，温度高（红色）的区域逐渐变大，由此可知，管径增大对翅管的换热有着明显的强化作用。 d/w=0.1 d/w=0.1 d/w=0.3 d/w=0.3 d/w=0.5 d/w=0.5 d/w=0.7 d/w=0.7 d/w=0.9 d/w=0.9 (1)速度为1.0m/s （2）速度为3.0m/s图4.9 进口速度分别为1.0m/s和3.0m/s时的翅片间距中剖面的速度分布图如图4.9所示，是进口风速为1.0m/s和3.0m/s时，不同管径下的翅片间距中剖面的速度分布图。在管径相同的情况下，随着入