（热能工程专业论文）开缝圆肋传热性能数值研究及场协同原理分析.pdf

开缝圆肋传热性能数值研究及场协同原理分析捅要在光管上增加肋片可以有效提高空气侧的换热系数，在肋片上开缝可以进一步增强其换热性能，因此开缝圆肋对换热器强化换热起到重要的作用，已经成为当今热点研究课题。本文应用f l u e n t 软件，设置7 种不同风速，分别对1 1 种肋片空气侧的传热特性与阻力特性进行了数值模拟，并结合场协同原理深入解析其强化换热机理。这1 1 种模型中其中4 种为平直圆肋片，其它7 种为开缝圆肋片。1 1 种肋片具有相同的几何尺寸，肋片表面开缝数相同且上下交错建有突起，但开缝位置不同。7 种开缝圆肋的其中2 种是后部加密开缝，其他是均匀开缝，与此之外，7 种肋片里面有3 个优化设计模型。研究模型为三维、稳态流动。通过比较得出，开缝圆肋的传热性能远高于平直圆肋，平均努塞尔数n u 提高了6 0 至9 0 ，平均场协同数f c 增加了2 0 至2 7 。与均匀开缝肋片相比，后部区域局部开缝圆肋的性能更好。应用场协同原理，对数值模拟得到两肋片之间流体的温度场、速度场和阻力系数进行了分析，结果表明，开缝肋片有效强化传热的根本原因是肋片开缝改善了速度与温度梯度的协同性。并通过一些列优化得到椭圆形基管、后部加密开缝圆肋，此模型比普通均匀开缝模型具有更好的综合性能，努塞尔数n u 提高了8 ，阻力系数f 降低了3 0 至4 0 ，平均场协同数f c 增长了1 0 左右，性能得到了全面提升。关键词：强化传热；开缝圆肋；开缝位置；优化设计；场协同开缝圆肋传热性能数值研究及场协同原理分析a b s t r a c th e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tc a nb eg r e a t l ye f f e c t i v e l yr a i s e db ys e t t i n gf i n so nt h ea i rs i d eo ft h es m o o t ht u b e ，b e s i d e sw h i c h , i tc a l lb ef u r t h e re n h a n c e db yt h es l o t so nt h ef i n s t h e r e f o r e ，t h ei s s u eo fs l o t t e dc i r c l ef i nw h i c hh a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fh e a te x c h a n g e rh a sa l r e a d yb e c o m eak e yr e s e a r c hp r o j e c t i nt h i sp a p e r , t h eh e a tt r a n s f e ra n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fe l e v e nt y p e so fc i r c l ef i n sa r es i m u l a t e du n d e rs e v e nd i f f e r e n tw i n ds p e e du s i n gf l u e n ts o f t w a r e a n dt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mi sd e e p l ya n a l y z e dc o m b i n e dw i t hf i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e f o u ro ft h ee l e v e nt y p e si st h ew h o l ep l a i np l a t ec i r c u l a rf i n , a n dt h eo t h e rs e v e no n e sa l eo fs l o t t e dt y p e s t h es u r f a c e so fa l lt h ee l e v e nf m sh a v et h es a m eg e o m e t r yd i m e n s i o n t h es l o t t e df i ns u r f a c e sh a v et h es a m en u m b e ro fs t r i p sw h i c ha r ep r o d u c e du p w a r da n dd o w n w a r da l t e r n a t i v e l y o n ed i f f e r e n c eo ft h es e v e nk i n d so fs l o t t e dc i r c u l a rf i n si st h ep o s i t i o no ft h es t r i p si nt h es u r f a c e ，t w oo ft h e mi sd i s t r i b u t e di nt h e 。r e a ra r e aa n dt h eo t h e r sa r ed i s t r i b u t e du n i f o r m l y a n db e s i d e s ，t h r e eo ft h es e v e nt y p e so ff i n sa r eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e l t h r e e - d i m e n s i o n a ls t e a d ym o d e li s u s e d i ti sf o u n dt h a tt h es l o t t e dc i r c l ef i n sh e a tt r a n s f e rs u r f a c e sh a v ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ec o m p a r e d 诵廿lt h ep l a i np l a t ec i r c l ef i n sh e a tt r a n s f e rs u r f a c e s ，t h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e rn ur i s e sb y6 0 t o9 0 a n dt h ef i e l ds y n e r g yn u m b e rr i s e sb y2 0 t o2 7 t h ep e r f o r m a n c eo fr e a rs l o t t e dc i r c l ef mi sa l s ob e r e rt h a nt h eo t h e r s f r o mt h ev i e w p o i n to ff i e l ds y n e r g y , t h ev e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ef i e l da n dr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h et w on e i g h b o r i n gf i ns u r f a c e sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a te n h a n c e m e n to fs l o t t e dc i r c l ef i n si sc a u s e db yt h ei m p r o v e m e n to ft h es y n e r g yb e t w e e nt h ev e l o c i t yf i e l da n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n t a i d e ras e r i e so ff u r t h e ro p t i m i z a t i o n ，ab e t t e rm o d e lw h i c hh a so v a lb a s et u b ea n ds l o t t e d c i r c l ef i n sd e n s i f i e di nt h er e a l p a r ti so b t a i n e d t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h i sm o d e li sm u c hb e t t e rt h a nt h eo n e sw i t hu n i f o r ms l o t t e df i n s ，w h e r et h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e rn ur i s e sb y8 ，t h er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n tfr e d u c e sb y3 0 t o4 0 ，t h ea v e r a g ef i e l ds y n e r g yn u m b e rf cr i s e sb y n e a r l y1 0 k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ：s l o t t e dc i r c l ef i n ：s t r i pp o s i t i o n ：o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；f i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e第1 章绪论第1 章绪论1 1 选题的目的及意义换热器是量大面广的通用设备，广泛的应用于电力，化工，炼油，制冷，低温，建材，冶金，环保等部门，据统计1 1 1 ，在热电厂中，如果将锅炉也作为换热设备，则换热设备的投资占整个热电厂中投资的7 0 左右；在动力消耗方面，以车辆为例，车辆冷却系统所消耗的功率占发动机输出功率的3 一1 5 。在一般的石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的4 0 一5 0 ；在现代石油化工企业中也要占约3 0 - - 4 0 。在制冷机中蒸发器的质量占总质量的3 0 一4 0 ，其动力消耗约占总值的2 0 艄0 。在以氟利昂为制冷剂的现代水冷机组制冷机中，蒸发器和换热器的质量约占总质量的7 0 。由此可见，换热器的合理设计、运转和改进对于节省资金、材料、能源和空间而言是十分重要的。特别是2 0 世纪7 0 年代世界性能源危机的出现，更加促进了强化换热技术的迅猛发展，具体表现在：各种新的强化换热方法层出不穷；从实验室研究到工业应用的周期明显变短；每年发表的文章也成倍增加，工业界对强化换热技术的采用也越来越持积极的态度；强化换热所取得的经济效益显著增长。换热器的强化换热包括许多方面，肋片就是其中一个主要的方面。近些年来，肋片传热特性的研究一直是空调制冷行业的一个热点课题，众多研究人员对其进行了大量的试验与理论研究，开缝肋片广泛应用于翅片管换热器当中，具有显著地强化换热效果，以其优良的特性拥有广阔的发展前景，是热点中的重点。1 2 翅片管式传热表面简介这类传热表面很适于换热器两侧流体的换热系数有较大差值的时，通常在流体换热系数小的一侧加上翅片，可以得到以下三方面的好处：一、可扩大换热面积；二、可促进流体的扰动；三、减小传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加换热量；或者在传热量不变的情况下，可以减小换热器的体积或重量，达到更加高效紧凑的目的，这一方式目前为止广泛应用于各种管式换热器，此外不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也同样有较大的价值。如广泛应用于车辆上的管片式换热器和管带式换热器所使用的传热表面，以及空调的表冷器，空气加热器，工业上的余热回收的翅片管换热器等等。翅片管式传热表面大体上可划分为以下三种类型 2 1 。哈尔滨工程大学硕士学位论文一、单管外翅片，就是在单根圆管外加装翅片所构成的翅片管，也称肋片管。翅片与基管的结合方式有螺旋形缠绕法、单片套装发和滚轨、挤压、铣削成型法等。翅片最简单的形状为原型( 或环形) 和螺旋形平直翅片与圆管。在此基础之上，近些年来，开发出众多不同结构的强化型肋片，包括在翅片上开缝，建立突起，螺旋状翅片，沿轴向全切开圆翅片，锯齿形螺旋状翅片，以及针状翅片管换热表面等。二、平片式连续翅片管束，在整块薄金属板上，按换热管顺排或者叉排形状冲孔，然后，用专用的设备将有孔的金属薄板( 称肋片) 逐片套在管束上，再用胀管或者钎焊方法连接即构成了平直式翅片管束。以这种管束为芯体的换热器，称为管翅式换热器，广泛应用于车辆、空调的蒸发器、冷凝器及其他换热器当中。平片连续翅片管柬，按翅片是否强化又分为普通平直片和强化型翅片两类。三、管带式翅片管束，是由波带形翅片与扁平管相间叠合而成，即在一条波形带状翅片的脊背上，沿垂直与气流方向，帖置若干根扁平管。翅片与扁平管采用钎焊方法连接。这种换热表面用作汽车、工程车和装甲车辆冷却系统的水散热器、微型汽车的暖风装置，以及空调设备中的冷凝器等。实验表明，以百叶窗形波纹带为翅片的换热器，其空气侧换热系数可比光滑平片换热器提高2 倍以上，换热器质量可降低3 0 至5 0 ，并且还在不断的改进中，向轻量化产品发展。1 3 国内外研究现状概述开缝肋片是在平直肋片的基础上，就是在平板肋片的表面上加工出一些隆起于肋片表面的突起，且在每个突起的下方有一个开口、条状结构，有利于肋片两边空气相互掺混、扰动，是一种有效地强化型肋片结构，是目前广泛应用并能有效起到强化换热的一种有效方式。其强化换热机理是：当流体掠过肋片表面时，边界层厚度不断地增大，导致热阻不断增加，换热系数不断减小，从而影响了整体换热面的换热性能；当在肋片表面间断开缝，可以有效减小流动边界层厚度，减小热阻，增加整体换热表面的换热系数，起到良好的强化换热效果。从清华过增元教授的场协同原理角度来分析，在光管上增加肋片，在平直肋片上开缝、增加突起会改善流场的温度场与速度场的协同性，从而达到改善换热性能的作用。1 9 7 0 年，m c q u i s t o n 3 】是第一个成功拟合了交叉布置平直肋片换热器热力性能。1 9 7 5 年，r i c h n 分别研究了方形肋片间距和管排数对流动与传热的影响，结果表明：肋片间距对换热系数影响较小，而管排对压降影响较小。1 9 9 3 年，n a k a y a m a t 5 】第一个开始研究矩形开缝肋片，通过对三个试件的实验结果2第1 章绪论拟合了第一个空气侧压降和换热的关联式。1 9 9 4 年，张政【6 l 等人用三维适体坐标的网格生成技术对翅片管散热器进行了低速下流动和传热的数值模拟，得到了流体与换热系数的关系，以及不同流速下翅片管流动与换热的温度场、速度场和速度场与温度梯度的夹角，并首次利用场协同原理进行分析。结果表明：当流速很低时，速度与换热系数几乎呈线性变化，场协同性很好；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。1 9 9 6 年，w a n 9 1 7 对平直翅片管换热器空气侧的现象进行研究，测试了影响换热的几个几何尺寸：管排数、翅片间距、翅片厚度。1 9 9 9 年，w a n g s l 等拟合了单向开缝翅片的换热和阻力的关联式。2 0 0 1 年，d u 9 】等学者拟合了双向开缝翅片的实验关联式。2 0 0 1 年，m i n 和w e b b 1 0 】用f l u e n t 软件模拟了具有波纹面的管肋式换热器，预测了空气侧的换热和压降特性。2 0 0 1 年，l e u 【l l 】等人对百叶窗式肋片在圆管和椭圆管换热器中流动进行了数值模拟。2 0 0 1 年，c o m i n i 和c r o c e 1 2 】用有限元法，采用没有关系的二维模型分析了波纹、百叶窗和开缝肋片表面换热特性和阻力特性。2 0 0 2 年，周俊杰【1 3 】等人针对辐射型开缝肋片表面在考虑肋片换热效率的情况下，对流动和阻力性能进行数值模拟，在相同流量和相同的流速下分析了肋片间距对肋片性能的影响。2 0 0 4 年，胡俊伟，丁国良【1 4 1 针对平直肋片、开缝肋片利用s t a r - c d 软件进行了数值模拟，并用场协同理论对计算进行了分析，结果表明：( 1 ) 肋片开缝能起到强化换热的效果，但是阻力也增加。( 2 ) 无论平直肋片还是开缝肋片，流速增加都能增强肋片的换热性能。2 0 0 4 年，周俊杰【1 5 】等人对辐射型肋片管换热器进行了研究，在考虑肋片效率的情况下对其在不同r e 和不同辐射角度下的流动和换热性能进行了数值模拟。结果表明：速度和温度梯度协同性随着辐射角增大而增大，辐射角在接近9 0 。时，夹角到达最大值，此时协同性最差，随着辐射角的增大，换热量先增大后减小，辐射角在7 1 。左右，换热量最大。2 0 0 5 年，李惠珍，屈治国【1 6 j 等人对2 排x 型双向开缝翅片管换热器空气侧的传热及阻力性能进行了实验研究，在实验的i 沁范围内得出了传热及阻力性能的关联式及特性曲线。比较得出，开缝翅片的传热性能远高于平直翅片，与单向开缝翅片相比，x 型3哈尔滨工程大学硕士学位论文双向开缝翅片的性能更好，结果表明，开缝翅片的有效传热根本原因是翅片开缝后改善了速度与温度梯度的协同性。2 0 0 5 年，吴学红【1 7 】等人对平直肋片、开缝肋片、波纹开缝肋片进行了比较分析，s t 数随流速的增加而减小，在流速较小时，波纹开缝的s t 数大于平板开缝肋片；压力损失随流速而增加而减小，平板开缝肋片压力损失系数小于波纹开缝肋片。从而在流速较大时，选用平板开缝肋片，大于4 m s 时选用波纹开缝肋片。2 0 0 8 年，李红智，王海军【1 8 1 等人对增压冷凝器开缝翅片的结构优化设计，数值模拟优化设计出一种新型的翅片x 圆弧型开缝翅片。利用p i v 和红外热成像可视化实验，得到了能够反映翅片流动和传热微观特性的流场和温度场，为数值模拟研究和翅片结构优化设计提供了实验依据。模拟结果表明：x 型开缝翅片的场协同性和传热特性优于圆弧型开缝翅片，但是后者的阻力小于前者。结合x 型和圆弧型两种开缝形式的优点设计出新型的开缝翅片( x 圆弧型) ，新设计的开缝翅片在场协同性和换热性上均优于前两种翅片，在r e = 8 0 0 - - 3 4 0 0 范围内，新型x 圆弧开缝翅片的综合性能较圆弧开缝翅片提高了7 至1 5 ，较x 型开缝翅片提高了3 至9 。2 0 0 8 年，张京兆、陶文铨【1 9 1 等人建立了四个模型对圆形开缝肋片与矩形开缝肋片进行了比较分析计算，得出结论：1 ) 相同足下，三种圆肋开缝翅片的，厂都高于方肋开缝翅片，其中一号开缝翅片j f 最大，比方形开缝翅片提高了3 6 2 - 4 2 5 ；2 ) 相同压降下，三种开缝圆肋的m 都高于方形肋片；3 ) 三种开缝圆的场协同性均优于方肋开缝翅片。1 4 本论文研究主要内容肋片开缝是一种有效的强化空气侧传热方法，广泛地应用在供热，通风，空调，制冷工业的换热器中，其中开缝圆肋具有更加优越的性能，具有广阔的发展前景。前人的工作主要集中在用实验方法测定流动和传热特性，以及对矩形翅片的研究，再加上开缝圆肋结构复杂，诸多因素如肋片节距、尺寸、开缝肋片的缝宽、缝长、缝高、开缝数及缝的分布等都不同程度地影响其流动和传热，肋片效率的计算也因此变得复杂且无公式可循，分析开缝圆肋流动和传热机理的数值模拟研究则少之更少，对开缝圆肋的研究还远远不够。本文采用f l u e n t 软件，对网格的独立性进行了考核，在已经获得了接近于网格独立的解之上，对平直圆肋、开缝圆肋进行数值模拟，并对结果做无量纲分析以及从场协同原理角度深入解析，主要研究内容有以下几个方面：4第1 章绪论1 ) 研究了平直圆肋相对于光管的强化换热的共性问题；2 ) 基管尺寸对平直圆肋的换热性能的影响；3 ) 肋片间距对平直圆肋的换热性能影响；4 ) 对同周长的椭圆基管与圆形基管进行对比分析：5 ) 比较分析平直圆肋与开缝圆肋的换热性能与阻力性能；6 ) 分析开缝长度对换热性能的影响；7 ) 分析开缝突起的高度对换热性能的影响；8 ) 研究开缝位置对换热性能的影响；9 ) 优化突起形状，变矩形为椭圆，对优化前后对比分析：1 0 ) 优化开缝突起开口方向，变侧风开口为迎风开口，对优化前后对比分析；11 ) 结合优化结果，建立椭圆基管、后部加密开缝、突起迎风开口的开缝圆肋模型，对比分析换热性能，阻力性能与场协同性。本文针对以上的内容进行研究，为开缝圆肋的优化设计提供一定的理论依据，同时也为高效换热器的日后进一步的深层研究作为铺垫。1 5 本章小结本章介绍了论文选题的目的与意义，对翅片管式传热表面进行了阐述，简要概述对本课题国内外发展现状，并对论文主要内容做了扼要总结。5哈尔滨工程大学硕士学位论文第2 章强化传热技术概述2 1 强化传热技术意义强化传热技术可以定义为能显著改善传热性能的节能新技术，其主要形式是采用强化传热元件，改进各种换热器的结构或尺寸，已达到提高传热效率，从而使设备投资和运行费用得到更好的利用，以达到生产的最优化。早在1 8 世纪初的时候，就有人提出物体表面强化对流换热问题，但强化换热技术真正引起人们重视，并加大研究力度，并取得显著成效是在2 0 世纪6 0 年代后，由于科学技术的飞速发展，不断向强化传热提出了新的要求，由于生产的需求、社会发展的需要，能源的短缺的威胁，因此，强化传热研究的深度和广度日益扩大并向新的领域渗透和发展，世界主要工业国都对此进行了大量的研究开发工作，强化传热技术在最近4 0 多年来得到了快速发展和广泛应用。迄今为止，强化传热技术在各个行业领域中广泛应用，涉及石油、化工，动力、核能、制冷、建筑乃至国防工业等领域，国内外公开发表的研究论文以及研究报告超过6 0 0 0 多篇，获得了数百项专利，已经成熟发展为的第二代传热技术，并向第三代强化换热技术不断深入研究。目前，国内清华大学、西安交通大学、华南理工大学等国内8 所著名高校，实现了传热界的强强联合，共同承担了关于“高效节能中的关键科学问题 国家重大基础研究9 7 3 项目，力图建立新的强化换热理论，并在新理论指导下，开发第三代传热技术。强化传热器传热过程更直白的表述就是力求使换热面在单位时间、单位传热面换热量尽可能增多。应用强化传热技术的目的是力图以最经济( 主要指体积小、质量小、成本低) 的换热设备来传递规定的热量，或是用最有效的冷却来保证高温部件的安全运行，这就要求进行合理的设计研究，制造出高效的换热器，使之节省资金、能源、材料消耗以及所占的空间。研究各种传热过程的强化问题，设计、制造出高效紧凑式换热器，不仅是现代工业发展过程中必须解决的问题，同时也是开展节能和开发能源的迫切任务。特别是近些年来，世界范围内出现的能源危机，使得能源和材料已成为热力系统总成本更重要的因素。为了节约能源和降低消耗，就需要更多地求助于强化传热技术。因此，研究强化传热技术，对于发展国民经济有着十分重要的意义。2 2 对流强化传热机理分析关于强化传热的机理，许多文献都给出了阐述【1 ，2 加- 2 2 1 ，主要是依据传热的基本公式6第2 章强化传熟技术概述来分析对传热产生影响的各种因素。增加传热量主要有三种途径：一、提升换热面平均传热温差缸，二、增加换热面积彳，三、提高传热系数h 。下面从这三方面分别论述。1 、提升平均传热温差强化换热提升平均传热温差有两种方法有：1 ) 当冷、热流体的进出口温度一定时，可以通过改变换热面的布置这一途径来提升平均传热温差。如果换热面布置使冷热流体做逆向流流动，则这种布置的平均传热温差最大；如果布置使冷热流体做同向流动，则这种布置的平均传热温差最小。所以各类换热器的换热面都应当尽量采取逆流布置的方法。2 ) 通过增大冷、热流体进出口温度差别来增大平均传热温差，这这种途径虽然能增大平均传热温差，但是由于受到受热材料物理性质和实际工作条件的限制，平均传热温差不可能太大，况且有时换热器中的平均传热温差是给定的，这样就不能再靠增加传热温差来强化传热了，即传热平均温差的增加是很有限的。另外由于平均换热温差的增加会造成很大的火用损失，所以往往是尽量减小平均传热温差。2 、增加换热面积强化传热增加面积是目前研究最多的一种强化传热方法，同时也是一种非常有效的强化换热途径，格外是对于例如空气这样的低普特朗特数流体，增加换热面积其强化换热效果特别好。增加换热面积的方法比较多。采用小管径和扩展表面换热面均可增加传热面积。管径越小，在相同的金属质量下，总面积越大。扩展表面换热面主要是在换热表面上加肋，比如肋片管。像轧槽管、表面粗糙管虽然能增加一定的换热面积，但增加得很少，它们主要是用来加强对流体的扰动。所以一般计算换热面积时还是以光滑管的换热面积为准。还有在一些新型紧凑式换热器中，诸如板式和板肋换热器中，布置在单位体积中的传热表面要比管壳式换热器中多很多，这也可以增加单位体积的换热面积。3 、提高传热系数以强化传热提高换热面积和平均传热温差往往受到各方面条件的限制，不可能有太大变化。并且在换热面积和平均传热温差给定时，提高传热系数成了唯一的强化传热途径。所以当今提高换热器的传热系数以强化传热已成为研究的重点2 3 强化传热技术的发展方向各种强化传热技术研究对发展国民经济有着举足轻重的意义，促使全球科研工作者7哈尔滨工程大学硕士学位论文对强化换热技术进行极为广泛的研究和探讨，研究的内容主要集中在以下几个方面【2 】：1 、由于强化传热管中流体对流传热的复杂性，所以强化传热理论仍然是一门实验性很强的学科，目前研究水平大致是对大多数工程问题可以通过试验研究得到认识和解决，对某些问题在理论上有了比较清楚的了解，但完全用实验方法确定最优结构及其适用范围，人力物力投资太大，甚至难以实现。随着计算流体力学和计算传热学的发展，采用数值模拟的方法对换热器进行研究，能够预测各种管束支撑物对壳程流场及传热过程的影响，且方法简单、效率高、费用低。因此，对换热器内流体流动和传热过程进行数值模拟研究，将为强化传热技术的结构优化并推动工程应用提供理论依据。2 、虽然数值计算的模拟得到了较大发展，但对许多机理问题在试验和理论研究方面尚有待进一步深入，强化理论体系还不够完善，数值计算方法尚不够成熟。因此，目前有关强化传热管的流体阻力系数和传热准则方程都仍停留在经验或半经验的关联式水平上。故对流体传热的研究可靠性差，因为换热过程与流体流动方式密切相关，在生产实践中人么往往根据生产要求和实验经验确定流体在换热器中的流动方式。考虑到流体介质、热负荷及设备规模等的差异，通常难以比较哪种流动方式更有利于换热。加上强化管技术的应用，因流动状态及通道几何形状的改变，使强化传热的机理更难以全面、系统地阐述清楚。因此，借助先进仪器，如激光测速、全息摄影、红外摄像仪等“可视化技术，以及数值模拟软件等，才有可能对换热器的流场分布和温度场分布的情况进行比较深入的了解，彻底弄清强化传热的机理，这对于提高理论研究水平和寻求开发新的强化传热途径将是非常重要的。3 、制定行业设计规范。各种强化传热手段都有一定的适应性，受操作参数、工质等条件的制约，微小的变化都会影响其强化效果，故至今尚未有普遍适用的可供工业设计使用的公式图表。随着设备向超大型和超细微方向的不断发展，有效利用能源以及积极开发新能源工作的日益开展，原有的设计方法已逐渐跟不上生产和科学技术发展的要求，有必要在工程应用的同时，深入这方面的理论研究，结合有关计算机数值模拟软件，探索出一整套普适性的设计方法规范，以便推广应用。4 、开发新的换热器品种，如板式、螺旋板式、振动盘管式等紧凑式换热器，其中微尺度换热器是一种在高新技术领域中具有广泛应用前景的前沿性新型超紧凑换热器，有诸多方面值得继续探索。5 、对强化传热技术进行合适的评价。要确定一项强化传热新技术是否先进，必须对其进行评价。对采用强化传热技术的换热器与普通换热器的效应进行评价时，对于表8第2 章强化传热技术概述面式换热器( 假定管外传热系数远大于管内传热系数) ，一般遵循以下原则：在换热功率、工质流量与压力损失相同时，比较两者的换热面积和体积；在换热器体积、工质流量与压力损失相同时，比较两者的换热功率；在换热面积、换热功率与工质流量相同时，比较两者的压力损失。但上述评价方法只考虑了单侧的换热效果，虽有一定参考价值，但不可避免地带有片面性。综合换热评价是在考虑了换热管内外侧换热( 即总传热系数)的情况下，综合考虑其换热功率、工质流量、压力损失及换热器体积四方面因素，因而比上述方法更能反映出强化传热的实际综合效果。而进行技术推广应用时，还应考虑采用强化换热技术后管子等价格的增加和运行费用的变化，应用经济核算的方法进行评价。6 、场协同效应研究。这是当前研究的热点，目的是研究各种场，如速度场、超重力场、电场等对传热的协同效应，在此基础上开发第三代传热技术。华南理工大学、清华大学等8 所国内高校正致力于此项研究，并得到了国家重点基础研究发展规划项目的资助。1 9 9 8 年我国学者过增元教授及其合作者【l 】对边界层型的流动进行了能量方程的分析，通过将该方程在热边界层内的积分，证明了减小速度矢量与温度梯度之间的夹角是强化对流换热的有效措施。这一思想现称为场协同原理( f i e l ds y n e r g yp r i n c i p l e ) 。2 4 场协同原理简介7过增元教授在研究对流换热时，从对流传热过程的能量方程中发现了速度矢量场和温度梯度场之间具有好的协同性，换热效果可以得到极大地强化作用，反之可能会换热效果不明显，甚至阻碍换热，并由此提出了速度场和温度梯度场相互协同配合的基本思想。事实上，场协同现象在自然界广泛存在，在其它的传递过程中也存在着场协同的效果，这里称为广义场协同原理。因此研究传递过程强化的一个新途径就是深入研究这些场相互作用的内在机制，揭示传递过程的场协同规律。从科学理论的角度研究传递过程，发展适用于描述传递过程的具有普遍性规律的理论，揭示传递过程中具有共性和本质性的规律。这样通过场协同理论的研究有可能将传递过程研究从实验科学阶段上升到理论阶段。描述热力学体系的物理量可以分为两类1 1 ，2 0 捌：一类是与物质的量无关、不具有加和性的强度量，例如温度、化学势、速度和电势等；另一类是与物质的量相关、具有加和性的广延量，例如熵、质量、动量和电量等。任何形式的能量都可以表示成一个基本强度与一个基本广延量的乘积：a e , = 五如( 2 1 )9哈尔滨工程大学硕士学位论文式中的互表示第i 种形式的能量，五和墨分别是与第f 种形式能量相对应的基本广延量和基本强度量。例如，热能可以表示成温度与熵的乘积，动能可以表示成速度与动量的乘积，电能可以表示成电势与电量的乘积等等。强度量以点函数的形式分布于空间，也就是说在某一强度量存在的空间中，相应于每一个空间位置点上都有一相应的强度量取值。这种每一个空间位置上都有一相应取值的分布称为“场 ，如温度场、化学势场、流体中的速度场和电磁场等。用场概念描述自然现象也是科学研究的一种重要方法，爱因斯坦就非常强调场纲领在物理学中的重要性，相对论的创立完全是坚持场纲领的结果，他甚至企图用场纲领统一整个物理学。自然界的任何传递过程都是通过在强度量差的推动下有广延量的传递来实现的。例如，传热过程表现为在温度差的推动下熵的流动，扩散过程表现为在化学势差的推动下物质的流动，粘滞现象表现为在速度差的推动下动量的传递，而电能的输出则表现为在电势的推动下电荷的流动。也就是说，在任何传递过程中至少有一种物理场存在。另一方面，任何传递过程都不可能是孤立进行的，不论在体系内部还是在体系和外界之间，必同时伴有其他变化的发生。也就是说一种场可能引起多种场传递过程，反之多种场也可能引起同一种传递过程。例如，对流换热过程受温度场和质流场相互作用的影响，而在萃取分离过程中至少存在有化学势场、温度场、重力场和质流场之间的相互作用。因此，对于任何一个传递过程，无论在体系内还是体系外，都可以人为的安排若干种“场来影响它。通过不同场之间的恰当配合和相互作用使目的过程得到强化，称为“场协同。对于对流边界问题，由于有流体流动必然存在一个流体流动场，或称流场，它是一个矢量场。此外流体的温度是必均匀的，还存在一个流体温度场，由于我们关心的是热量运输速率，因此在讨论中我们用温度梯度场( 或热流场) 代替温度场则更为方便。从对流换热能量方程可以看到，当p 、c 。、允给定时，流场和温度梯度场( 或热流场) 的特性就确定了边界上的热流，既确定了边界上的对流换热系数。所以对流换热域中存在着两个矢量场：( 1 ) 速度场u 弘z )( 2 ) 温度梯度场v t ( x , 弘z )或者三个标量场：( 1 ) 温度绝对值lui 弘z )( 2 ) 温度梯度绝对值l v r l 弘z )1 0第2 章强化传热技术概述( 3 ) 夹角余弦场e o s p ( x , 弘z )在流速和流体的物理性质给定的条件下，边界上的热流( 界面上的换热强度) 取决于当量热源强度，或者在i 沁数、p r 数一定的情况下，n u 数取决于无因次流动当量热源。从中还可以看到这些流动当量热源，不仅取决于速度场和热流场本身，而且还取决于它们之间的夹角，即不仅取决于速度场、热流场、夹角场的绝对值，还取决于这三个标量值的相互搭配。对流换热中速度场与热流场的配合能使无因次流动当量热源强度提高，从而强化换热，此时称之为速度场与热流场协同较好。速度场与热流场的协同体现在三个方面川：( 1 ) 速度矢量与温度梯度矢量的夹角余弦值尽可能大，即两矢量的夹角尽可能小( 小于9 0 度) 或尽可能大( 大于9 0 度) ；( 2 ) 流体速度剖面与温度剖面尽可能均匀( 在最大流速和温差一定条件下) ；( 3 ) 尽可能使三个标量场中的大值与大值搭配，也就是说要使三个标量场的大值尽可能同时出现在整个场中的某些区域上。为了能定量描述和比较不同对流换热情况下的速度场与热流场协同程度，需要有一个标准，从上面已看到对流换热强度取决于当量热源强度，既无因次积分的数值，所以定义：f c _ 卢v 砺= 器( 2 2 )为对流换热的场协同数，它代表了速度场与热流场的协同程度。鉴于无因次积分中的e o s f l u oi g r t d l m o d t f 9 。z o n e s ne e r l o d l cz o n e “) 】1 9$ h a d o uz o u e 【( ) l1 0r o t a t i o n a lp e r i o d i c ? ( i f1 1 0t r a n s ) a t l o n a l ， g e s lnc r e a t ep e r i o d i cz o n e s ? y e s 】ya u t od e t e c tt r a n s l a t i o nu e c t o r ? y e s ，c o n p u t e dt r a n s l a t i o nd e l t a s ：一1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0, 3 1 1 日7 0f a c e s t c h e df o rz o n e s1 9a n d1 0 z o n e1 bd e l e t e dc r e a t e dp e r i o d i cz o n e s i g r l d m o d l f p z o n e s )点击e n t e r 键，d e f i n e d i s p l a y e x i t输入g ，点击g r i d c h e c kg r i d i n f o图3 1 7 输入指令控制面板f i l e g r i d p a r a l l e l p l o t r e p o r t s o l v e s u r f a c e v i e w r e o r d e r s u r f a c e m e s h r o t a t es w a p g r i d f a c e sm a k e - h a n g i n g - i n t e r f a c es c a l em e m o r y - u s a g es i z e - - i n f om o d i f y - z o n e s g r i d 输入m o ，点击e n t e rs m o o t h - g r i dg r i d m o d i f y - z o n e s 输入m a ，点击e n t e rp e r i o d i cz o n e 【( ) 输入19 ，s h a d o wz o n e ( ) 输入l8 ，r o t a t i o n a lp e r i o d i c ? ( i fn o ，点击e n t e r点击e n t e rt r a n s l a t et r a n s l a t i o n a l ) 【y e s 输入n ，点击e n t e rc r e a t ep e r i o d i cz o n e s ? y e s 输入y ，点击e n t e r第3 章数值求解a u t od e t e c tt r a n s l a t i o nv e c t o r ? 【y e s 】输入y ，点击e n t e rc o m p u t e dt r a n s l a t i o nd e l t a s ：一1 6 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0a l l8 0 7 0f a c e sm a t c h e df o rz o n e s19a n d18 z o n e1 8d e l e t e dc r e a t e dp e r i o d i cz o n e s 如上按提示输入指令则将前后面定义为周期性边界条件。点击d i s p l a y g r i d 则后看到在前后方向上的两个面( 即x 方向上的面) 呈现蓝色，这是说明定义边界条件成功，见图3 1 5 。图3 1 8 定义周期边界条件后的肋片再点击菜单d e f i n e b o u n d a r yc o n d i t i o n s 打开如图3 1 9 的边界条件控制面板。则按照z o n e 中的顺序依次设定边界条件：速度入口设定：来风速度为2 m s ，温度3 0 3 k 。出口设置为o u t f l o w ，采取局部单向化。基管管壁设定：恒温3 5 3 k 。肋片边缘面设定：绝热条件。2 5哈尔滨工程大学硕十学位论文图3 1 9 边界条件面板第九步：调节解的控制参数。这一步关系到方程的具体求解。各项松弛因子保持不变，但在迭代计算过程中可以观察残差情况而适当增减松弛因子，即如果发散则适当减小松弛因子；p r e s s u r e ( 压力方程) 采用标准离散格式；p r e s s u r e - v e l o c i t yc o u p l i n g ( 压力速度耦合) 选择s i m p l e 算法；m o m e n t u m ( 动量方程) 与e n e r g y ( f l 皂量方程) 均采用一m 阶迎风格式。具体操作步骤：s o l v e c o n t r o l s s o l u t i o n ，在s o l u t i o nc o n t r o l s 面板中设定迭代松弛因子和方程的离散格式。如图3 2 0 所示：到删删剧图3 2 0 调节解参数面板第十步：初始化流场并激活残差。对计算区域进行初始化，点击菜单s o l v e i n i t i a l i z e i n i t i a l i z e 打开如图3 。2l 所示初始化面板。2 6第3 章数值求解严蚴k 精赫f r a 函m ez e m e ；广m m m m m h j d b e剖劂则蚓蚓图3 2 l 初始化面板点击菜单s o l v em o n i t o r s r e s i d u a l 打开如图3 2 2 所示的面板。在选项中，打开p l o t选项激活残差图形，然后点击o k ，从而可以在计算过程中查看残差。图3 2 2 残差控制面板第十一步：迭代求解并保存结果。点击s o l v e i t e r a t e 打开如图3 2 3 所示的控制面板，将迭代次数设置为1 0 0 0 ，点击i t e r a t e 后迭代开始，直至收敛。i t e r a t i o nu d fm c r 0 t e r a t 沁鹏乒广爿；鼬叫m 巾t e 啪r 一爿；p r o f i l eu p d a t ei n t e r v a l 爿，li t e r a t eia p p l yic l o s eih e l p |_ - _ - _ _ _ 。o 。_ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ o _ _ - _ 一j - _ - _ - - - - _ _ - - 一_ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ 一图3 2 3 迭代控制面板哈尔滨工程大学硕士学位论文最后对以上的结果进行保存，f i l e w r i t e c a s e 。以上内容即是本文在g a m b i t 与f l u e n t 中的基本操作。最后对计算结果进行处理计算：肋片的平均n u 、阻力系数及传热因子j 定义如f ：j l l = 旦q = q 棚c p ( 乙一瓦)足= 型虬：_ h dp = p m p 。哦2 轰睾丁：辑1 9 ( 1 呢)k = l 一瓦，= 乙一= 矗彤( 3 1 3 )( 3 1 4 )( 3 1 9 )( 3 1 6 )( 3 1 7 )( 3 1 s )( 3 1 9 )( 3 2 0 )( 3 2 1 )为最小界面的平均流速，以为基管外径，k 为最大温差，为最小温差，a t为平均对数温差。3 6 本章小结本章内容主要阐述了论文进行计算的理论基础。首先对物理模型进行了简化，然后进行了数学描述、边界条件的处理，随后是对计算区域和控制方程的离散，接着介绍了s i m p l e 算法的基本思路以及代数方程的解法，并在g a m b i t 中建模，划分网格，导入f l u e n t 软件中处理计算。第4 章平直圆肋数值模拟分析第4 章平直圆肋数值模拟分析4 1引言在换热器设计中，有时管内与管外