平直翅片管传热与阻力特性的数值研究

-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、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3mkg1225ρ，smkg101.7894μ-5，KkgJ1006.43Cp，KmW0.0242λ，管外壁面温度恒定：K318Tw。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，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)：78-80．2.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，2003，1-5．4.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：1991．4-7．5.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)：30-33．7.宋富强，屈治国，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)：45-49．9.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)：826-829．10.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日指导教师签字日期2011年3月10日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IINumericalStudyonHeatTransferandPressureDropCharacteristicsofPlain-finnedTubeABSTRACTAsplain-finnedtubeisanimportantcomponentforthermalsystemsandrefrigerationandairconditioningequipment，thestudyforitsheattransferperformanceisalwaysahottopicsforresearchers．Althoughitscompactstructure，heattransferefficiencyarelowerthanplateorplate-finheatexchangers，plain-finnedtubeheatexchangershavealsobeingwidelyusedintheenergy，chemical，oilandotherindustriesforitsmanyadvantageswhichcontainedwithstandhightemperatureandpressure，adptablewidely，reliable，simplemanufacturing，lowcostsandwideselection．Thus，studiesfortheflowandheattransferoffinnedtubebundlesareofgreatsignificance．Aimattheflowcharacteristicsofplain-finnedtube，thispaperwillstudythefollowings：Simplelyoverviewthestudyprogressandpresentstuationofplain-finnedtube，andonthebasisofcomparativeanalysisthegoodsandbadsofthreeresearchmethods：experimental，analysisandnumericalmethod．wedetermineuseGambit-softwaretobiludphysicalmodelfordifferentsizetubestructures，anduseFluent6.2-softwaretostudytheflowinthefinnedtubechannel，thencalculatetherelationshipbetweenReandNunumber，f(resistancecofficient)，andanalyzeRe，fin-pitchnumberoftuberows，rowspacingoffintube(horizontalspacingandverticalspacing)，theimpactontheplain-finnedtube'sflowandheattransferperformance，soastoprovideatheoreticalbasisforthedisgn，improvementandoptimizationofplain-finnedtudeheatexchangers．Keywords:numericalsimulation；plain-fin；laminarflow；heattransferIII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.....................