1、- 1 -太 原 理 工 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任 务 书第 1 页毕业设计（论文）题目：平直翅片管传热与阻力特性的数值研究毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：1、毕业设计（论文）要求：(1) 了解强化传热技术的发展、平直翅片管强化传热的机理及此换热设备在实际中的应用；(2) 了解翅片管换热与阻力性能研究进程及国内外研究发展现状；(3) 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；(4) 初步掌握 GAMBIT 软件构建三维模型、划分网格、使用 Fluent 软件数值求解并对实验数据后处理分析的基本方法；(5) 初步培养严谨的科研素质和独立工作的能力。
2、2、原始数据：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。通常管子以叉排和顺排两种方式排列，且流动换热在不同结构通道内各不相同，其流场与温度场可用周期性的流动与换热模型进行模拟，具体问题如下：流体横掠平直翅片管管束，管内外流体形成交叉流动，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（见图中虚线所围部分） 。假设流动介质为不可压缩空气，物性参数为常数，忽略重力影响，流动为三维、稳态的层流且已进入周期性充分发展段。翅片管基本
3、尺寸保持翅片厚度为0.2mm，管径10cm，翅片间距为1.6mm，管排纵向间距为22mm，横向间距为16mm。空气物性参数为：- 2 -第 2 页， ， ，3mkg125smkg10.7894-5 KkgJ106.43Cp，管外壁面温度恒定： 。KW0.4 8Tw计算区域结构示意图- 3 -第 3 页 毕业设计（论文）主要内容：通过对富氧燃烧技术的认识，了解该技术对节能、减排、降耗的适用性；并从技术、经济两方面研究该技术对电站锅炉的影响，能够提出解决一些问题的方案或者建议。第一部分 绪论第二部分 平直翅片管换热流动模型建立与分析该部分主要分析了平直翅片管通道的流动特点，描述了本文所研究对象的构
4、建及计算区域的选取，并讨论了相关参数的计算方法及模型计算定解条件的确定。第三部分 平直翅片管数值模拟及 CFD 简介该部分主要介绍了数值传热学理论及常用数值解法，并分析实验法、分析法和数值解法各自的优势；描述了 CFD 理论思想基本概况、利用 GAMBIT 对计算区域离散的方法及 FLUENT 数值算法的选取。第四部分 翅片管数值计算结果及分析该部分主要针对不同结构尺寸的平直翅片管数值模拟的结果（速度场、压力场及温度场）进行显示、并对数据整理，分析其各因素对翅片管换热与阻力特性的影响。第五部分 结论学生应交出的设计文件（论文）：毕业设计一份- 4 -第 4 页主要参考文献（资料）：1. 李祥华
5、，宋光强几种新型换热器的特点及使用状况对比J化肥工业2001，9(1) ：78-802. 刘卫华百叶窗型和波形管片式换热器性能实验研究J石油化工高等学校学报1996，9（2）：49-53 3. 孟继安基于场协同理论的纵向涡强化换热技术及其应用D北京：清华大学航天航空学院，2003，1-54. 陶文铨计算流体力学与传热学M西安：西安交通大学出版社： 19914-7 5. 康海军，李妩，李慧珍等平直翅片管换热器传热与阻力特性的实验研究J西安交通大学学报1994，28(1)：91-98 6. 柳飞，何国庚多排数翅片管空冷器风阻特性的数值模拟J制冷与空调2004，4(4) ：30-337. 宋富强，屈
6、治国，何雅玲等低速下空气横掠翅片管换热规律的数值模拟J西安交通大学学报2002，36(9)：899-902 8. 徐百平，江楠等平直翅片管翅式换热器减阻强化传热数值模拟J石油炼制与化工2006，9(37)：45-499. 屈治国，何雅玲，陶文铨平直开缝翅片传热特性的三维数值模拟及场协同原理分析J工程热物理学报2003， 5(24)：826-82910. 刘建，魏文建，丁国良翅片管式换热器换热与压降特性的实验研究进展J制冷学报2003，(3)：25-30专业班级 热能 0703 班 学生 张 谦 要求设计（论文）工作起止日期 2011 年 3 月 14 日至 2011 年 6 月 18 日 指
7、导 教 师 签 字 日期 2011 年 3 月 10 日 - 5 -教 研 室 主 任 审 查 签 字 日期 2011 年 3 月 10 日 系 主 任 批 准 签 字 日期 2011 年 3 月 10 日 I平直翅片管传热与阻力特性的数值研究摘 要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，对其换热性能的研究一直是科研人员热衷的课题。尽管它在结构的紧凑性、传热强度和单位金属消耗量等方面逊于板式或板翅式换热器，但平直翅片管换热器以其能承受高温高压、适应性强、工作可靠、制造简单、生产成本低、选材范围广等优点，仍在能源、化工、石油等行业得到广泛应用。因而，对其翅片管束通道内的流动
8、与传热问题的研究具有十分重要的意义。本文针对平直翅片管内的流动特点，主要对以下内容进行研究：简单概述平直翅片管研究的动态及现状，并在对比分析对其进行实验法、分析法及数值方法的优劣的基础上，确定本文采用数值方法，使用 GAMBIT 软件对不同结构尺寸的平直翅片管建立物理模型，并通过 FLUENT6.2 软件对其翅片管通道内的流动进行数值模拟，计算Re 数与努塞尔数 Nu、阻力系数 f 的关系，分析流动参数 Reynolds 数、翅片间距、管排数、翅片管管排间距（横向间距和纵向间距）等因素对平直翅片管流动与换热性能的影响，探讨不同结构通道内的流动特征及阻力特性，为工业应用上平直翅片管结构的设计和改
9、进、优化分析提供理论依据。关键字：数值模拟；平直翅片；层流流动；流动换热IINumerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plain-finned TubeABSTRACTAs plain-finned tube is an important component for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is alwa
10、ys a hot topics for researchersAlthough its compact structure，heat transfer efficiency are lower than plate or plate-fin heat exchangers，plain-finned tube heat exchangers have also being widely used in the energy， chemical，oil and other industries for its many advantages which contained withstand hi
11、gh temperature and pressure，adptable widely，reliable，simple manufacturing，low costs and wide selectionThus，studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significanceAim at the flow characteristics of plain-finned tube，this paper will study the followings：Simplely overvie
12、w the study progress and present stuation of plain-finned tube，and on the basis of comparative analysis the goods and bads of three research methods：experimental，analysis and numerical methodwe determine use Gambit-software to bilud physical model for different size tube structures，and use Fluent6.2
13、-software to study the flow in the finned tube channel，then calculate the relationship between Re and Nu number，f(resistance cofficient)，and analyze Re，fin-pitchnumber of tube rows，row spacing of fin tube(horizontal spacing and vertical spacing)，the impact on the plain-finned tubes flow and heat tra
14、nsfer performance，so as to provide a theoretical basis for the disgn，improvement and optimization of plain-finned tude heat exchangersKey words: numerical simulation；plain-fin；laminar flow；heat transferIII目 录摘 要 .IAbstract .II第一章 绪论 .11.1 课题背景及研究意义 .11.2 翅片管强化传热的数值解法 .41.3 平直翅片管换热器的研究进展及成果 .71.4 本文的
15、主要研究内容 .11第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 .122.1 平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 .122.2 平直翅片管换热器物理模型的建立 .122.3 平直翅片管数学模型描述与简化假设 .14第三章 基于 Fluent 平直翅片管数值模拟及 CFD 简介 .183.1 常用数值计算方法简介 .183.2 CFD 概述 .203.3 FLUENT 软件概述及 GAMBIT 简介 .223.4 平直翅片管基于 FLUENT 数值模拟 .24第四章 平直翅片管数值计算结果及数据分析 .274.1 迭代残差图 .274.2 雷诺数对平直翅片管换热与压降特性的影响 .274.3
16、翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 .324.4 管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响 .334.5 管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 .354.6 管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 .384.7 管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响 .40结 论 .43参考文献 .44外文原文 .47中文翻译 .531第一章 绪论1.1 课题背景及研究意义1.1.1 强化传热技术概述强化传热是上世纪六十年代开始蓬勃兴起的一种改善传热性能的先进技术。它的任务是促进和适应高热流，以达到用最经济的设备来传输特定的热量，用最有效的冷却来保护高温部件的安全运行，以及用最高效率来实现
17、能源的有效利用。正因为如此传热强化在工业生产中有着十分广泛的应用，无论在动力、冶金、石油、化工、材料制冷等工程领域，还是航空航天、电子、核能等高技术领域，都不可避免的涉及热量的传递及其强化问题。而换热器作为一种传热设备成为工业生产中不可缺少的设备 1。据统计，在现代石油化工企业中，换热器投资占 30%40%；在制冷机组中，蒸发器和凝结器的重量占机组总重量的 30%40%，动力消耗占总值的 20%30%；在热电厂中，如果将锅炉也视作换热设备，则换热器的投资约占整个电厂总投资的 70%左右2。因此，换热设备的合理设计、运转和改进对于整个企业投资、金属耗量、空间以及动力消耗有着重要影响。近十几年来，
18、世界面临着能源短缺的局面，为缓和能源紧张的状况，世界各国竞相采取节能措施，大力发展节能技术已成为当前工业生产和人民生活中一个重要课题。采用先进技术，节能降耗，倡导低碳生活和绿色的生存模式，提高能源有效利用率势在必行，正是出于这种目的，许多学者对强化换热技术进行了大量的研究，提高换热器的换热效率来节约能源。换热设备的合理设计、运转和改进对节省资金、能源和金属是十分重要的，因而强化换热对国民经济发展具有重大意义。强化传热是实现换热器高效、紧凑换热的主要途径，其基本元件的开发研究一直备受关注，各种行业对强化传热的具体要求各不相同，但归纳起来，强化传热技术总可以达到下列目的 2：(1) 减少初设计的传
19、热面积和重量；(2) 提高现有换热器的换热能力；2(3) 使换热器在较低的温差下工作；(4) 减少换热器的阻力，以减少换热器运行时的动力消耗；(5) 提高换热器的换热器能力，同时使得增加的阻力不至于太大。其中，方法(5)是一种崭新的强化换热的方法，由于很多传统强化换热的方法会明显带来流动阻力的大幅增加，而很多时候阻力增加的代价是大于换热增加带来的效益的，出现这种情况就会得不偿失了。方法(5)追求的目的是能够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
20、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
21、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。1.1.2 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
