平直翅片管传热与阻力特性的数值研究_毕业设计论文(热能与动力专业)

平直翅片管传热与阻力特性的数值研究 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： 　　第2页 ， ， ， ，管外壁面温度恒定： 。 计算区域结构示意图 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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 或者建议。 第1部分 绪论 第2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3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4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5部分 结论 学生应交出的设计文件（论文）： 毕业设计一份 　　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 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 Numerical Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Plain-finned Tube ABSTRACT As plain-finned tube is an important component for thermal systems and refrigeration and air conditioning equipment，the study for its heat transfer performance is always a hot topics for researchers．Although 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 high temperature and pressure，adptable widely，reliable，simple manufacturing，low costs and wide selection．Thus，studies for the flow and heat transfer of finned tube bundles are of great significance． Aim at the flow characteristics of plain-finned tube，this paper will study the followings：Simplely overview 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 method．we determine use Gambit-software to bilud physical model for different size tube structures，and use Fluent6.2-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 tube's flow and heat transfer performance，so as to provide a theoretical basis for the disgn，improvement　and optimization of plain-finned tude heat exchangers． Key words: numerical simulation；plain-fin；laminar flow；heat transfer 目 录 I 摘 要 II Abstract 1 第一章 绪论 1 1.1 课题背景及研究意义 4 1.2 翅片管强化传热的数值解法 7 1.3 平直翅片管换热器的研究进展及成果 11 1.4 本文的主要研究内容 12 第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 12 2.1 平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 12 2.2 平直翅片管换热器物理模型的建立 14 2.3 平直翅片管数学模型描述与简化假设 18 第三章 基于Fluent平直翅片管数值模拟及CFD简介 18 3.1 常用数值计算方法简介 20 3.2 CFD概述 22 3.3 FLUENT软件概述及GAMBIT简介 24 3.4 平直翅片管基于FLUENT数值模拟 27 第四章 平直翅片管数值计算结果及数据分析 27 4.1 迭代残差图 27 4.2 雷诺数对平直翅片管换热与压降特性的影响 32 4.3 翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 33 4.4 管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响 35 4.5 管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 38 4.6 管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 40 4.7 管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响 43 结 论 44 参考文献 47 外文原文 53 中文翻译 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，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) 减少初设计的传热面积和重量； (2) 提高现有换热器的换热能力； (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生强烈的径向混合，使核心区流体的速度场、温度场趋于均匀，壁面及壁面附近区域的温度梯度增大，进而强化层流换热。在湍流对流换热情况下，由于流体核心的速度场和温度场都已经比较均匀，对流换热热阻主要存在于贴壁的流体粘性底层中，因此对湍流换热所采取的主要强化措施是破坏边界层，使传热温差发生在更加贴近壁面的流体层中，增强换热能力[6]。但由于气体导热系数和比热都比较低，即使是湍流换热也无法实现较高的换热系数。所以，此时采用增强流体扰动，提高换热系数的方法对空气侧换热效果影响不大，增加换热量更有效的方法应该是扩大换热面积。 采用附加表面来增加换热面积、减小流体通道的水力直径，从而改变通道内温度场的分布就是强化空气侧换热最常用的手段之一，翅片管换热器（如图1-1）就是基于上述原理制造出来的。 翅片的发展主要分为三个阶段:连续型翅片、间断型波纹翅片和带涡流发生器的翅片。其中，连续型翅片包括平直型、波纹型等翅片；间断型翅片包括百叶窗翅片、错位翅片等；带涡流发生器翅片主要是通过涡流发生器产生横向涡和纵向涡来使换热强化。虽然翅片类型已由平直翅片向波纹片、百叶窗、冲缝片和穿孔翅片等多种高效形式演变，平直翅片的强化传热效果不如错齿翅片和百叶窗翅片，但由于平翅片换热器在结构和制造上的简单方便、 运用上的耐久性及其较好的适用性，到目前为止，平翅片换热器仍是最为常用的一种翅片管式换热器之一。平直翅片管（图1-4）换热器具有良好的传热性能和低阻力性能，其在制冷、空调、化工、电子微器件散热（如CPU热管式散热器-图1-2和1-3）等多个工业领域都得到广泛的应用[7]。采用平直翅片加强传热的机理是传热面积的增大和水力直径的减小，使流体在通道中形成强烈的紊动，从而有效地降低了热阻，提高了传热效率。 研究发现，翅片管式换热器管内热阻与铜管翅片的接触热阻及管外空气侧的热阻比为2∶1∶7[5]。可见管外翅片的换热仍然是制约换热器效能的主要因素，因此，强化空气侧的换热成了管翅式换热器强化传热的重要问题。翅片管式换热器是一种在制冷、空调、化工等工业领域广泛采用的一种换热器形式，对它的研究不仅有利于提高换热器的换热效率和整体系统性能，而且对改进翅片换热器的设计型式，推出更加节能、节材的紧凑式换热器有着重要的指导意义。 1.2 翅片管强化传热的数值解法 随着高速计算机的出现和现代计算技术的发展，以及湍流模型的不断发展与完善，使用电子计算机作为模拟和实验的手段成为可能，从而可以用数值方法来求解流体力学和传热学中的各种各样的问题。 数值传热学（Numerical Heat Transfer，NHT）又称计算传热学（Computational Heat Transfer，CHT）是指对描写流动与传热问题的控制方程采用数值方法通过计算机予以求解的一门传热学与数值方法相结合的交叉学科。数值传热学求解问题的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场（如速度场、温度场、浓度场等），用一系列有限个离散点（称为节点，node）上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数方程（称为离散方程，discretization equation），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值[8]。上述基本思想可以用图1-5来表示。 由于翅片管结构及各种工况因素对换热效果的影响十分复杂，以解析方法及实验方法为主要研究方法都不能满足研究的需要，而且随着计算机工业的进一步发展，计算传热学与计算流体动力学发挥着越来越重要的作用。本文将针对平直翅片管对换热特性与流动阻力的影响利用商业软件FLUENT6.2进行数值模拟。与实验研究相比，数值解法具有以下一些优点[9]： (1) 经济性好。运用计算机的数值方法进行预测的最重要优点是它的成本低。在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的实验研究的成本低好几个数量级。而且随着计算机工业的进一步发展（处理器运算速度的提高，硬件成本的下降），它在科学研究的重要性将越来越突出。 (2) 研究周期短。用计算机进行计算和研究能以及其惊人的速度进行。一个设计者能够在一天之内研究出多种方案，并从中选择最佳的设计，而相应的实验研究却需要很长的时间。 (3) 数据完整。对一个问题进行数值求解可以得到详尽而完备的数据。它能够提供在整个计算区域内所有的有关变量（如速度、压力、温度、浓度等）的值。与实验的情况不同，在计算中几乎没有不能达到的位置。 (4) 具有模拟理想条件的能力。人们有时为了研究一种基本的物理现象，希望实现若干理想化的条件，例如：常物性、绝热条件、流动充分发展等等，在数值计算中很容易实现这样的一些条件和要求，而在实验中却很难近似到这种理想化的条件。 数值计算方法的这些优点使人们热衷于计算机的分析，但是它也有一些局限性。因为结果的准确度是由数学模型的精度和数值方法共同决定，因此数学模型和计算方法必须都具有良好的完善性，而且对于十分复杂的问题，数值解目前也很难获得。虽然在某些研究领域中，目前数值计算几乎已取代了实验研究，但在流体力学与传热学的领域中，实验研究、理论分析与数值计算这三种研究手段则是相辅相成、互为补充的。 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，可以为检验数值计算结果的准确度提供拟合参照的依据，是指导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得出理论解。 实验测量方法是研究流动与传热问题的最基本的方法，它所得到的实验结果是真实可信的，它是理论分析和数值方法的基础，一方面补充现有的结构模型试验数据库，另一方面为工程设计人员提供新的技术支持，同时还可以与数值模拟的结果进行对比来改进试验设计，因而其重要性不容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难通过实验方法得到结果[10]。 而数值求解(CFD)方法恰好克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现了一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。它可以通过比较各种型号的换热器的换热和流动阻力优劣情况，初步给出换热器试验设计参数选择的建议，并能用于研究换热器的换热流动性能，对换热器的开发和设计有指导作用。 总之，科学技术发展到今天的阶段，把实验测定、理论分析与数值模拟这三种研究手段有机而协调地结合起来，是研究流动与传热问题的理想而有效的方法。[2] 1.3 平直翅片管换热器的研究进展及成果 人们在进行强化翅片表面换热的研究中，提出了各种强化换热的方法。总的来说有以下的几种方法：一是减小换热管的结构尺寸，采用小管径换热管代替大管径换热管，同时减小管排横向间距及纵向间距。从目前家用空调中所采用的换热管尺寸来看，其管径有不断减小的发展趋势，从以前的9.52mm，7.94mm到现在的7.0mm；二是增强空气侧的湍流强度，可通过不断改变气流来流方向，来达到强化换热的目的，主要采用将翅片冲压成波纹形，由此产生了波纹形翅片类型； 三是采用间断式翅片表面，将翅片表面沿气流方向逐渐断开，以阻止翅片表面空气层流边界层的发展，使边界层在各表面不断地破坏，又在下一个冲条形成新的边界层，不断利用冲条的前缘效应，达到强化换热的目的。属于这种翅片的有条缝形翅片和百叶窗形翅片等。以下就国内外对这几种强化方式下的翅片类型的实验研究进展作概述介绍，如表1所示： 1.3.1 平直翅片管实验研究进展及成果 (1) 早在1971年，Rich就对管径为13.3mm，管排间距为27.5mm和管列间距为31.8mm的16种不同结构的平翅片换热器进行了实验研究，实验结果表明翅片间距对换热系数有显著的影响，而管排数对的空气压降几乎没有影响[11]。 (2) 1978年，McQuiston发表了第一个基于五种结构参数（翅片间距1.81-6.35mm、管外径为9.96mm、管排间距为22mm、管列间距为25.4mm、管排数为4）的平翅片换热及压降通用关联式[11]。 (3) 1986年，Gray和Webb又提出了管排数大于4排的实验关联式，其关联式能较好地预测大管径、大管排间距和大管列间距下的换热特性和压降特性[11]。 (4) 1991年，Seshimo and Fujii在迎面风速为0.5m/s-2.5m/s的实验条件下，对21种平翅片形换热器进行了研究。 (5) 1994年，康海军[12]等对平翅片在不同翅片间距和管排数的情况下，对9种不同结构的平翅片换热器进行了实验，发现片距对传热的影响依赖于临界Re 数，对于层流来讲，片间距的增加会导致换热的下降 ，而对于阻力而言，片间距越大，阻力越小，且两排管的性能优于三、四排管。并提出了在工业常用Re数范围内的换热和阻力性能通用关联式。 (6) 1996年，何国庚[13]等分别对16排、26排和32排的平翅片空气冷却器进行了实验，指出风速对风侧阻力的影响并不相同：在较少排数时，风速的影响显著些；而随着管排数的增加，风速的影响也趋向稳定。 (7) 1996年以来，Wangel一直致力于翅片管的研究，对平翅片换热器也做了大量的研究，同时针对翅片换热器的发展形式，对小管径和小结构尺寸的换热器进行了研究，得出大量十分有价值的研究成果。 (8) 2000年，Wangel对18种不同结构的翅片管换热器的空气侧换热特性进行了研究，并分析了管排数、翅片间距、管径对换热特性的影响。指出在不同的雷诺数下，空气侧的换热特性与翅片间距、 管排数和换热管管径有十分重要的关系[11]。 (9) Sparrowe也对单排及双排平直管换热器进行了研究，指出边界层的发展是单排管换热特性的最重要因素，涡流的影响只有在高雷诺数的情况下才获得[11]。 1.3.2 平直翅片管数值研究进展及成果 (1) Saboya在研究此问题时指出，边界层的发展是制约单排管换热特性的重要因素。后来， Torikoshi对板间通道进行了3D数值模拟，发现只要翅片间距足够小，管子后漩涡将被翅片的“壁面效应”抑制，此时整个流场将处于层流状态。 (2) Ricardo也对板间的流体行为进行了3D模拟。同时借助可视化实验技术，揭示了翅片间距对传热、流阻的影响。 (3) 宋富强对不同风速下的传热机理进行场协同数值研究，得到了不同位置速度矢量与温度梯度的协同程度，发现低流速时，全场的温度梯度与速度协同程度好，因而换热速率随流速近线型增加，但管子背风侧的换热强度较差。双排管整体翅片数值模拟表明，风速为0.5～3.5m/ s时，对流给热系数及压力降均随流速呈线性增长。多排管束纵、横向间距对传热的影响数值模拟结果发现，传热随着两种间距的增大而减小，进一步场协同原理总体平均分析表明，横向管距越小，纵向管距越大，热、流场总体协同性越好。 (4) 2002年，西安交通大学宋富强，屈治国[14]等对翅片管散热器进行了低速下流动和换热的数值模拟，得到了流速与换热系数的关系，以及不同流速下翅片管流动与换热的温度场、速度场和速度与温度梯度的夹角场，并首次利用场协同原理进行了分析9结果表明：当流速很低时，速度与换热系数几乎成线性变化，场的协同性很好；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。 (5) 2003年，何江海等[15]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1.0～3.0m/s时的温度与压力分布特性，并由计算结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。 (6) 2006年，徐百平等[11]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思想。 (7) 2008年，傅明星[16]利用三维稳态模拟研究了叉排和顺排布置形式、几何尺寸和雷诺数Red对双排平直翅片管换热器换热和流动特性的影响，研究成果丰富。 (8) 2010年，马挺、曾敏[17]等数值模拟方法对平直翅片管燃气侧在高温和常温两种不同环境中传热与阻力特性进行了对比研究，数值模拟结果表明：燃气进口温度对Nu数影响较大，温差对阻力系数f影响较大，辐射对Nu数影响较大，对阻力系数f影响很小。高温换热器用平直翅片管的传热与阻力特性不同于常温条件下的平直翅片管， 在热力设计中平直翅片管常温下的传热与阻力规律不能直接推广到高温环境。 1.4 本文的主要研究内容 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FLUENT6.2商业软件对平直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，得出平直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表面换热设备的选择提供参考依据。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，建立平直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. 根据空调设备中常见的整体式平直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 Upwind）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，为工业应用上平直翅片管结构的设计和改进、优化分析提供理论依据。 第二章 平直翅片管换热流动模型建立与分析 2.1 平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 流体流经翅片管通道，由于管束结构的存在及管外流道的周期性变化特性使得流体在沿流向呈周期性变截面通道中流动时，在离开入口一定距离（约一排或两排管束）后，流体基本进入充分发展段，流动与换热具有周期性变化的特征，即周期性充分发展的流动与换热。在翅片管内，管束绕流、管后漩涡是流体扰动的主要特征，在漩涡区内由于流体的缓慢流动及主流体无法有效透过漩涡与壁面进行热交换，使该壁面处的换热降到最低，同时循环漩涡增加了流动阻力，但这种流体扰动有时能够引发流动不稳定，促使流动在较低Re的下自身扰动增强，从而使换热性能大大提高，改善换热性能，但同时流动阻力也会相应增加。 2.2 平直翅片管换热器物理模型的建立 2.3.1 物理模型的几何尺寸 本文计算模型的几何尺寸是在参照目前商用空调换热器常用的尺寸基础上确定的，并通过前处理软件GAMBIT建立模型，两者的外形基本相同，翅片及基管均为铝质材料，导热系数为202.4 W/ (m·K)。基本尺寸如下：管子直径D= 10mm，管排横向间距S2= 22mm，管排纵向间距S1= 16mm，翅片厚度δ= 0.2mm，翅片间距S= 1.6mm。几何结构如图2-1和图2-2所示： 2.3.2 计算区域的选取 在实际模拟计算中受到计算机软硬件的限制和从计算效率方面的考虑，不对完整的换热器建立计算模型，而对几何模型进行简化处理。由于几何结构的对称性和周期性，本文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。这样可以对网格进行细化，同时节约了计算机资源，提高了数值模拟效率，能在相对较短的时间内得到稳定工况的数值解。（如图2-3） 另外，为了保证流体进口处于充分发展流动状态，同时避免出流边界回流对计算结果的影响，将计算区域进口延长1～2倍，出口延长5～6倍，保证出口边界没有回流。（如图2-4） 2.3 平直翅片管数学模型描述与简化假设 2.3.3 基本简化假设与定解条件 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318 K，翅片表面温度分布由翅片导热及其与空气对流换热耦合求解得到； ② 空气进口温度为308 K； ③ 由于空气在换热器内流速不高及翅片间隙很小，假设流动为稳定的层流； ④ 由于流动过程中空气的温度变化不大，取空气为常物性。（空气物性参数如表2-1）； ⑤ 对辐射换热和重力影响忽略不计。 表2-1 空气物性参数（常物性） 项目 数据 密度ρ/ kg·m-3 1.225 粘度μ/ Pa·s 1.7894×10-5 比热Cp/ J·(g·K)- 1 1.00643 导热系数λ/ W·(m·K) - 1 0.0242 进口流速u / m·s-1 0.7～1.8 2.3.4 基本控制方程 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。 2.3.5 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= 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； τw---壁面剪应力，N/m2； L---翅片纵向长度，S1。 (5) 换热系数： 其中：Φ---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，K A---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) j换热因子： 其中：Pr---普朗特数， 。 2.3.6 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(如图2-5示)： (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318K。 (2) 空气入口温度为308K，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。 第三章 基于Fluent平直翅片管数值模拟及CFD简介 3.1 常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[6]： (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(FiniteElementMethod，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[8]。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。这是有限体积法吸引人的优点。而有限差分法，仅当网格极其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。 就离散方法而言，有限体积法可视作有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法必须假定值在网格点之间的变化规律（既插值函数），并将其作为近似解。有限差分法只考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求的结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。因而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多一种方法，其中最普及的Fluent软件就是其中之一。[18] 3.2 CFD概述 3.2.1 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，对包含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。其基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。 3.2.2 计算流体动力学的工作步骤 采用CFD方法对流体流动进行数值模拟过程（如图1-4），通常包括以下步骤： (1) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 (2) 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。 (3) 编制程序和进行计算。这部分工作包括网格划分、初始条件和边界条件的输入，控制参数的设定等。 (4) 显示计算结果。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有重要参考意义。 3.2.3 计算流体动力学的特点 CFD的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解法；其次，可利用计算机进行各种数值实验；再者，它不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 3.2.4 CFD软件介绍 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用CFD软件。该软件专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测。通过CFD软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，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产生的机理，为试验提供指导，节省试验所需的人力、物力和时间，并能够对试验结果的整理和得出规律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3-1）。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。 3.3 FLUENT软件概述及GAMBIT简介 FLUENT软件由美国FLUENT.Inc公司推出的，继PHOENICS软件之后第二个投放市场的基于有限容积法的软件。其设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。 FLUENT集成的前处理软件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结构进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥、楔形体及杂交网格等。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，滑移网格采用在流体方向变化较大，如活塞运动的情况下，这时网格随流动滑移，增加问题的收敛性及准确性。GAMBIT这种网格的自适应能力可以使网格的生成变得非常自由，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。 3.3.1 FLUENT程序结构 FLUENT程序软件包由以下几个部分组成: (1) GAMBIT----用于建立几何结构和网格的生成； (2) FLUENT----用于进行流动模拟的求解器； (3) prePoF----由于模拟PDF燃烧过程； (4) Tgrid----用于从现有的边界网格生成体网格； (5) Filters(Translators) 转换其它程序生成的网格，用于FLUENT计算。 3.3.2 利用FLUENT的求解步骤 在使用FLUENT前，应针对所要求解的物理问题，制订比较详细的求解方案，应先考虑几个主要因素，包括决定CFD模型目标、选择物理模型和计算模型、决定求解过程。然后根据以下步骤进行求解计算： (1) 创建几何模型及划分区域网格（在GAMBIT或其它前处理软件中完成）； (2) 启动FLUENT求解器； (3) 导入网格模型； (4) 检查网格模型是否存在问题； (5) 选择求解器及运行环境； (6) 决定计算模型，即是否考虑热交换，是否考虑粘性，是否存在多相流等； (7) 设置材料特性及工质物性参数； (8) 设置边界条件； (9) 调整用于控制求解的有关参数（松弛因子、收敛条件、求解算法）； (10) 设置特定监测参量并初始化流场； (11) 开始求解计算； (12) 显示求解结果； (13) 保存求解结果，以便用于后处理； (14) 如果有必要，自适应修改网格或计算模型，然后重复上述过程计算。 3.4 平直翅片管基于FLUENT数值模拟 3.4.1 计算区域网格的划分 数值模拟首先就要对计算区域进行离散化，即网格划分。网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体，网格质量的好坏对仿真的精度及计算效率有重要的影响。为了简化计算，本文由于几何模型的对称性，只取流动通道的一半来研究，这样大大减少离散单元数目，节省计算所需内存和计算时间。 本文采用GAMBIT软件来建立几何模型，并进行网格生成。因为网格的正交性越好，计算越准确，越易收敛，而结构化网格可以很容易地实现区域的边界拟合，网格生成的速度较快，质量较好，同时对于体划分六面体结构简单，计算容易收敛。鉴于平直翅片管通道流动的复杂性，本文在划分时大都为六面体网格，并采用分块划分和边界层加密等方法进行局部加密，具体划分如下（图3-2，3-3，3-4）： (1) 对于进出口延长区，由于是规则的矩形通道，采用Map方法划分规则的结构性六面体网格，节点间距为0.2。 (2) 对于管子周围及近翅片等流动参数变化梯度较大的区域采用边界层加密，最小间距为0.01，最大间距为0.15。 (3) 对于翅片区域，由于几何结构的不规则性，采用Map-Pave/Tri生成混杂网格来适应管子的圆弧边界，提高网格质量，最小间距为0.15。 (4) 对翅片区域全流场采用Cooper方法生成六面体网格，节点size取0.15，网格单元数控制在200000以内。 3.4.2 求解器的选择 FLUENT在求解器算法上有四种选择：即非耦合显式、耦合显式、非耦合隐式和耦合隐式。通常隐式算法的计算收敛速度是显式的2倍，而需要的内存也需相应增加1倍；非耦合算法比耦合算法需要的内存少，并且求解过程中灵活性好，但求解精度较低，但非耦合求解方法主要用于不可压缩或低马赫数压缩性流体的流动。由于本文计算受个人PC机计算资源的限制，故采用默认的非耦合隐式算法求解，精度为单精度。 3.4.3 控制方程的离散及收敛标准 本文研究为不可压缩空气稳态的层流流动，对于控制方程的离散：连续性方程采用Standard格式，动量方程和能量方程均采用二阶迎风差分格式（Second Order Upwind），并选择标准的Simple算法求解压力-速度耦合问题。 对于收敛准则设定，方程组残差收敛控制条件为：动量方程为1×10-7、连续性方程为1×10-4、能量方程为1×10-7,并检验流体进出换热单元的总体质量平衡达10-10量级。给定不同的进口速度(0.7～1.5 m/s)，在 PC机上借助FLUENT软件,分别计算分析传热及阻力。 第四章 平直翅片管数值计算结果及数据分析 本章的主要内容是显示借助FLUENT软件对平直翅片管模型进行数值模拟的计算结果，给出流场、温度场及速度场的分布云图，并计算努赛尔数Nu、阻力系数f。然后分析雷诺数Re、几何结构参数等因素对换热系数h、流动压降△P的影响，得出结论。 4.1 迭代残差图 4.2 雷诺数对平直翅片管换热与压降特性的影响 本节针对单排平直翅片管，通过改变进口来流速度来变化雷诺数的大小，分析不同雷诺数下平直翅片管的换热与阻力特性。实验速度范围为0.7 m/s、1.0 m/s、1.3 m/s、1.5 m/s、1.8m/s，对应雷诺数变化范围约1000～2450。 4.2.1 速度场分布 如上图4-1为入口速度1.3m/s时的流道中剖面速度场，明显看出由于流动受到管子的阻碍，流动截面缩小，使流速增加。在管道附近，受壁面影响，速度梯度最大。在管子的前额处，流体受管子阻碍而滞止，速度降为零。 由图4-2、4-3看出，当雷诺数Re较小时，流体缓慢的绕过管子不会发生脱体，而随着雷诺数增大到一定值，近壁处的流体受壁面影响由于动量不大，由于边界层厚度的增加，速度降为零发生回流，形成绕流脱体现象，并在管后形成滞止漩涡。 4.2.2 温度场分布 图4-5、4-6 为平直翅片管通道内流动空气的温度分布，从翅片间距中剖面的温度分布可以看出，由于管子迎风侧流动滞止及背风面脱体漩涡的存在，使空气流速缓慢，而在管子后部因边界层脱离而形成的尾流区，存在稳定的漩涡，部分空气无法被主流带走，被加热到与翅片温度基本相同，导致此处空气温度明显高于周围区域。通道中部温度渐变发展，并可以明显看到管后方的尾流区，该区域温度梯度较大。同时出口温度随流速的增大而减小。图4-4为由耦合求解得到的翅片表面温度分布，可以看出壁面温度保持在318K，基本维持恒壁温。 4.2.3 压力场分布 由图4-7可以看出，流体压力沿流向逐渐降低，并且在管子周围处，由于边界层影响，压力梯度最大，下降最快。而在管后压力变化平坦。 4.2.4 雷诺数Re与Nu关系 由上图4-8示Re-Nu关系看出，随流速的增大，Nu与Re呈线性关系增加，换热增强。同时，由速度场和温度场可以看出，由于管子前额边界层较薄，热阻较小，且温度梯度大，故平直翅片管换热主要集中在管道的迎风面，翅片的前缘效应使得传热得到强化。而管后涡流区流动滞止，使得管子后面的翅片面积换热不能得到有效的利用，因而要强化翅片管换热性能，应从充分利用翅片管的前缘效应和改善管后滞止涡流的换热特性入手。 4.2.5 雷诺数Re与阻力系数f关系 随着流速的增加，流动通道内的平均速度梯度也会增大，流体的粘性力也会增大，故流动阻力随流速增加而增加。由上图Re-f关系看出，随Re增大，阻力系数减小并逐渐趋于平缓。 4.2.6 雷诺数Re与综合性能指数j/f的关系 由上图可以看出，在研究范围内，综合性能指数j/f随雷诺数的增大而逐渐降低的，表明随着流速的增加，空气流动的换热增强，同时流动阻力也增大，但换热性能增加的要大，翅片管流动与换热的综合性能变好。 4.3 翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 本节研究对象为单排平直翅片管，通过改变翅片间距来分析不同雷诺数下翅片间距对翅片管换热与阻力特性的影响。实验速度变化范围为0.7 m/s、1.0 m/s、1.3 m/s、1.5 m/s，翅片间距取1.4mm，2.0mm，2.4mm。 4.3.1 翅片间距对换热性能的影响 上图显示出不同翅片间距下，总换热系数h随来流速度u的变化关系。计算表明：翅片间距对换热性能的影响与雷诺数有关，当空气进口速度u<1.25m/s（对应Re数在<1550～1800范围）时，随翅片间距的增加，换热能力是逐渐降低的；当u>1.25m/s（Re>1550～1800范围）时，随翅片间距的增加，换热逐渐增强。这种变化特性与翅片间的流动情况有关。 分析原因如下：平直翅片管翅片侧的流动情况十分复杂，流动形式主要是边界层流动和漩涡流。在Re较大时，漩涡流对换热的影响较大，区域越宽，强化换热作用越大，而翅片间距的大小主要反映在翅片对漩涡流的抑制作用的程度。间距越小，涡流运动空间就越小，受壁面粘性阻力影响，速度减小越快，换热减弱，故Re较大时，翅片间距越大，换热性能越好。 当Re数较小时，边界层流动对换热起主要作用，此时翅片间距减小使上下翅片壁面的边界层相互干扰，换热增强。 4.3.2 翅片间距对压降特性的影响 图4-12显示出不同间距下，空气进出口压降与来流速度u的关系，明显看出：随翅片间距的减小，流动压降逐渐增大，且随着雷诺数的增大，流动阻力增加的幅度也在增加。这主要由于间距越小，流动通道变小，流体受壁面粘性力越大，因而阻力增加。从图4-13看出，在相同雷诺数Re下，翅片间距越小，阻力系数越大，尤其是在低雷诺数下，翅片间距对摩擦系数的影响较大，随着雷诺数的增大，摩擦系数下降幅度减小。 4.4 管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响 本节对不同管排数的翅片管束进行数值模拟，分析其对换热与阻力特性的影响。排数取为1、2、4排。 4.4.1 多排管束的流场分布 上图中分别给出2排、4排叉排管束模拟流动的温度场、速度场和压力场。其中，由图4-17看出，每排管后都存在明显的涡流，且该区域温度很高。由图4-16和图4-19的速度分布看出，最大速度梯度都分布在每排管子的前缘，且对于2排管，最大流速在第二排管处，对于4排管，最大流速在第四排管处。由图4-15和图4-18得，管子前缘压力梯度较大，后缘区压力变化都较平缓，主要由于：一方面流速降低会使静压增大，而另一方面由于壁面剪切力会使压力降低。同时，4排的出口压力明显低于2排管。 4.4.2 管排数对换热特性的影响 由上图得，在雷诺数Re=750～1700的研究范围内，单排管的换热性能明显好于双排管。 分析原因，在雷诺数较小的范围内，流体流经第一排管子时，由于开始边界层较薄，换热较强，但随边界层的发展很快下降，随后发生绕流脱体使换热再次增加，而管后的尾迹区换热很差，随着流动向下发展，漩涡流继续向下游运动到达第二排管时，再次因前缘效应而换热增强，并发生第二次绕流脱体，但由于尾迹区速度较小，导致第二排管的换热要弱于前排管束，因而总体换热性能，单排管要优于双排。 4.4.3 管排数对压降特性的影响 由上图明显看出，随着流动方向管排数的增加，空气进出口压降呈指数增大，且流速较小时，不同管排数压降相差较小，随着流速的增加，不同管排的空气侧阻力相差也变大。 4.5 管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 管排间距直接影响了流体通道内温度场和速度场分布，对换热与阻力特性有重要影响，合理布置管排能更好地协调速度场与温度场的协同性，提高换热器流动与化热综合性能。本节针对不同横向间距的翅片管，来分析其对换热与阻力性能的影响。其中，横向间距S2/D分别取1.6、2.0和2.4，D为管道外径10mm。 4.5.1 不同横向间距的管排内流场分布 以上为翅片管横向间距/管径分别为2.0、2.4，进口速度为1.3m/s的温度、压力、速度场分布图。明显看出，随着间距增大，两排管中间区域流道变宽，速度、压力变化较为平缓，分布更加均匀，利于流体流动。 4.5.2 横向间距对换热性能的影响 由上图u-h关系看出，管排横向间距对翅片管的换热性能有较大影响，随着横向间距的增大，换热系数减小，换热能力下降，说明间距越小换热性能越好，这主要由于当间距增加时，管子之间的流道变宽，流动更加顺畅，使尾迹区扰动减弱，换热减弱。 4.5.3 横向间距对压降性能的影响 由上图u-△P关系看出，随着管排横向间距的增大，压降略微降低，流动阻力减弱，且随着流速的增大，不同间距的压降相差增加，但差别不大，说明在流速较小（Re数范围600～1700）时横向间距对管排阻力特性影响不大。 4.6 管排纵向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 本节针对不同纵向间距的翅片管进行数值模拟，并分析其对换热与阻力特性的影响。其中纵向间距S1/D分别取为2.2、2.6和3.0，D为管径10mm。 4.6.1 不同纵向间距管排内流场的分布 以上为翅片管纵向间距/管径分别为2.6、3.0，进口速度为1.3m/s的温度、压力、速度场分布图。可以直观看出随翅片管纵向间距增大，流场分布更加均匀，流道内速度、压力变化平缓，流动特性较好。 4.6.2 纵向间距对换热性能的影响 由图看出，在流速较小时（约为u<0.85m/s），随着管排纵向间距的增大，换热性能变强，随着流速的增加，管排纵向间距越大，换热性能变差。但整体来看，换热系数下降幅度很小，纵向间距对翅片管换热性能影响不大。 4.6.3 纵向间距对阻力性能的影响 由图4-37可明显看出趋势，纵向间距越大，压降越小，流动阻力越小，且当流速较小时，纵向间距对阻力特性影响较小，随着流速增加，不同纵向间距翅片管压降差别也愈明显。这主要是由于增大管排纵向间距后，流道宽度增加，减小了管列之间的脉动影响，从而利于流动的自由发展，也就大大减少了流动阻力。 4.7 管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响 本小节针对双排翅片管不同管排方式，即顺排和叉排，进行数值计算，模拟其流场的温度、压力分布，并计算分析其在换热与阻力性能的差异。其中，模型选取为：纵向间距S1为2.6mm，横线间距为16mm，翅片间距为1.6mm，管径D取10mm，来流速度u为1.3m/s。 4.7.1 顺排、叉排的流场分布 上图显示出叉排、顺排管列的温度、速度、压力及流线分布，对比得出，顺排管束流道内的温度、压力分布更加平缓，尤其是一二排管之间的压力场。对比流线图看出，顺排管束前后两排管的尾流区连接在一起，形成了管径宽度的尾流通道，使管后滞止涡流的死区面积比叉排管要大，这对整体翅片管的换热性能有不良影响。 4.7.2 顺排、叉排方式换热性能的差异分析 由上图u-h关系图得出，在研究的来流速度范围内，叉排管束的换热性能要明显优于顺排管束，从速度场、温度场分析，主要由于顺排时前、后排管的尾流区连接在一起形成了宽度为D的尾流通道，其宽度和面积都比交叉排列时大，而尾流漩涡区的速度几乎为零，换热能力很差，从而导致顺排传热性能比叉排方式要差。 4.7.3 顺排、叉排方式压降特性的差异分析 由上图速度-压降关系图可知，相同几何参数及来流速度情况下，叉排管压降明显大于顺排，表明叉排阻力要大，这与叉排管内流体的扰动强于顺排，顺排管内的速度、压力分布更均匀的实验情况是相符的。 结 论 平直翅片管换热器是工业传热过程中的关键设备，以其结构简单、轻巧紧凑、高效耐用、综合性能较好等特殊优点，已在制冷空调、电子器件散热及工业生产等领域中得到了广泛的应用。因此研究提高翅片管式换热器换热效率的方法，使换热系统装置尺寸减小、能耗降低、换热增强，具有重要的现实意义。本文就针对空调内常用的翅片管换热器为实际模型，建立模型进行数值模拟，探究了多种因素与翅片管换热与流动特性的关系，并在整个学习计算过程中得出以下结论： (1) 在对物理模型划分网格时，根据流体流动特性进行划分，在速度、压力、温度梯度较大区域要进行网格加密，在近壁面处由于边界层影响，也要进行加密，从而使计算更精确、更易收敛。 (2) 对于平直翅片管换热器，随着雷诺数Re增大，Nu数增加，换热能力增强，同时流动阻力也在增加，阻力系数f随着雷诺数Re的增大，逐渐平缓。且管壁前缘换热较强，管后尾流区存在滞止涡流，使管后面积不能得到有效利用，换热很差。因此，要强化翅片管换热，充分利用管子前缘效应和改善管后流动分布与换热性能是行之有效的方法。 (3) 对于翅片间距的影响，当空气进口速度u<1.25m/s（Re数<1550～1800范围）时，随翅片间距的增加，换热能力h是逐渐降低的；当u>1.25m/s（Re数>1550～1800范围）时，随翅片间距的增加，换热逐渐增强。同时，翅片间距减小，流动阻力增大，阻力系数减小，并随雷诺数的增加，趋势变缓。 (4) 对于管排数的影响，单排管换热性能优于双排管束，且管排越多，压降越大。 (5) 对于管排横向间距，横向间距越大，空气漩涡流扰动减弱，换热能力减弱，阻力略微下降，但影响不大。 (6) 对于管排纵向间距，纵向间距越大，换热系数h略有下降，但在本研究范围内影响不大。而流道宽度随间距增大而增加，使流体更易自由流动，流动阻力下降。 (7) 对于管排方式，叉排换热性能明显好于顺排，但流动阻力也较顺排方式大。 参考文献 1. 许伟，闵敬春．几种典型翅片传热及阻力特性的数值研究与分析[D]．北京：清华大学，2005：2-4． 2. 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． 3. 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． 4. 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． 5. 鹿世化．一种翅片管换热器内部流场的数值模拟与实验研究[D]．南京：南京航空航天大学能动学院，2007，2-5． 6. 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． 7. 陶文铨．计算传热学的近代进展[M]．北京：科学出版社：2000．6-8． 8. 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这项研究涉及到能够产生增强流体扰动并有较好流量分布的强化传热面。许多不同表面结构的传热已经通过一些宽泛的条件得到了评估。流体速度和温度的瞬态测量已经可以实现。对于所有的情况，所有强化传热面的测评都是传热随Re的增加而增加。这里强化传热面的测评显示传热性能提升了超过40%，同时还产生了一个更加均匀的流量分布。 关键词：强化传热；扩展面；流量分布 1. 引言 加快受热面的散热已经成为换热设备设计中的一个主要任务。高效换热器的发展需要更高效率的技术来交换存在于扩展表面和环境流体之间的大量的热。翅片管式换热器在工业应用中得到广泛使用。这些换热器通常由连续不断的金属翅片组成，这些翅片又被内联或交错的管束穿在一起。对热量传递及流动机理的理解提供了允许高效换热器性能最大化的必要的知识。在空气-液体换热器的典型应用中，空气侧的阻力占主导地位。因而，改善增强空气侧的传热成为高效率换热系统日益增长的需求的迫切要求。 强化换热面导致一系列变化：扰动的增强；二次流的产生；热边界层厚度的减薄和换热面积的增加。这些因素将会为换热器提供一个能够强化传热；一个更加适应流动阻力；一个能够提供更加均匀流量分布的设计方案。 之前已经对各种各样的强化面进行了实验研究，以此来测评强化换热面的传热性能和流量分布。韦伯（1981年）针对强化面提出了一个关于热量传递和传热面积的性能评测方法。Sparrow和Hajiloo（1980年）对与流体流动平行布置的交错平板阵列的换热性能进行了研究。他们通过改变Re数和平板厚度来进行试验。Yu等人（2005年）进行了实验研究和数值模拟研究来比较平直翅片表面的热力性能。Yakut等人（2006年）通过实验分析了传热阻力与压降特性以及它们与翅片几何结构、翅片间距和流体速度之间的关系。Li和Chen（2007年）利用红外热成像法对平直翅片面在受限的冲击射流条件下的性能进行了研究。Sahin和Demir（2008年）讨论了翅片的传热系数以及如何通过利用狭缝和空隙来改善它们的换热。Molki 和Hashemi-Esfahanian（1992年）讨论了折流挡板内边界附近强化传热的方法。Sparrow和Carranco Ortiz（1982年）实验性地确定了关于逆流壁面的换热系数以及它们与长径比和Re数之间的关系。 为了评估百叶窗式换热器的总体的换热特性，已经做了大量的研究。目前已有许多的实验来研究平行平板翅片的局部换热。虽然从传热效率的角度看百叶窗式翅片是有优势的，但是百叶窗的形成增加了翅片板的机械应力并且导致换热面的变形/失败。虽然一个附着在管壁上的简单坚实的平直翅片能强化传热，但一个附着在同样管壁上的多孔隙的平翅片会造成更小的流动阻力同时也产生更好的性能。Sara等人（2000年）测定了附着在一个平面上，一个矩形管道里的固体和穿孔矩形块的热力性能。Sahin等人（2008年）实验性地研究了传热过程、摩擦系数和关于传热的各种设计参数的影响，以及摩擦系数对在矩形通道内装配有圆形截面鳍角穿孔翅片换热器的影响，同时也包括了增强换热效率的相关程度。Dorignac等人（2005年）实验性地研究了针对多孔板的对流换热。 本研究的总体目标是设计一个强化传热面，来尽量减少材料的数量（重量），但必须满足所要求的散热条件。这包括： (1) 评价材料成分对换热面的设计（包括传热和流动分布）的影响； (2) 评价表面粗糙度对换热面设计的影响； (3) 评价百叶窗式表面或开孔式表面对换热器设计的影响； (4) 确定Re数对换热表面设计的影响。 经过优化设计后的表面在设计上可以与一个没有经过强化的表面进行比较。从结果中得出，一个经过传热强化的面可以设计出来并可以适用于更宽泛的Re数范围。 2. 实验方法 2.1 步骤 样品表面组合在一起从而构成一组放置在风洞装置里的传热面阵列。这种布置提供了传热和压降的测量。测试部分是由具有可移动的侧墙的丙烯酸树脂构成的，这些可移动侧墙能构成一个可以适应各种尺寸阵列的试样面积。 2.2 材料评估 以下几种材料将在强化传热面的设计过程中进行评测： • 铜 • 不锈钢（304） • 铝 • 铜合金材料 • 镍合金材料 2.3 表面评估 比较坚实的换热面材料是深质感的三维的金属。坚实的金属分布在一个中性轴的上面和下面，从而增加了在各个方向的力量。 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 1列出了针对换热表面的纹理的测评。百叶窗式的和固体地表面也考虑在内。 2.4 表面布置 换热表面的测评包括坚实平面，质地坚实，开孔式（百叶窗式）的固体和开孔的质感。对于任何一个测试，相同的换热表面是唯一要考虑的表面。 3.结果与结论 对于Re数在350附近的情况，经过强化换热的表面和平整坚实的换热面在流体分布或传热性能上能够观察到的差距是很小的。在高Re数的情况下，随着流体流动通过阵列时的发展，换热是随着流速的增加而增加的。典型的结果显示在表-1中。换热效率上的差异是在表面上形成原状边界层的结果（在较低流量的条件下）。在试验阶段，速度都是以测量的入口速度为基准的。然而测量结果显示在实验阶段入口流量是均匀的，在不受干扰的边界层流量是减少的。 当Re数最低时，（对于流经强化传热面的流体）流动就像流体流过一个平板一样。在较高Re数的情况下，会存在更复杂的流动情况（包括湍流，某些情况下还有冲击射流）。由于在每个表面上边界层的中断，流体流经换热表面的缝隙时将变成湍流流动，并且换热系数不断增加。 由于表面经过换热性能的强化（百叶窗、开孔和表面的变化），在贴近壁面的流态会和那些贴近平实、光滑表面的流态有很大差别。由于流动的分离和由此产生的扰动，换热率也较高。此外，（与光滑、平时的固体表面相比）随着表面粗糙度的增加和百叶窗（表面开孔）面积的增大，摩擦系数和压降将会降低。表面上的射流冲击换热也已被多家研究人员研究[Li和Chen（2007年）]。研究发现，由在表面进行射流冲击所得到的传热率要比平行流动得到的换热率高一个数量级，因此在这种情况下，传热的强化是相当可观的。 传热与流动的分布取决于表面上开孔的相对位置和开孔的形状。流动和换热是否依赖于强化表面不同的几何特性还不是很清楚。因此，进一步拓展这项研究，以此来测评瞬态换热系数以及一组更加成熟的状况下流动的分布是很有必要的。 同时，在板块上不同的开孔面积和传热模型中不同的板块组合方面，余下的工作也同样是有必要的。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 指导教师评阅书 指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 指导教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价： 一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 评阅教师： （签名） 单位： （盖章） 年 月 日 教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 □ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所选等级前的□内画“√”） 教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年 月 日 教学系意见： 系主任： （签名） 年 月 日 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者（本人签名）： 年 月 日 学位论文出版授权书 本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。 论文密级： □公开 □保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ) 作者签名：_______ 导师签名：_______ _______年_____月_____日 _______年_____月_____日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 二〇一〇年九月二十日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 二〇一〇年九月二十日 致 谢 时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。 首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。 首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。 其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。 另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。 最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。 四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。 回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。 学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。 在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。 最后，我要特别感谢我的导师***老师、和研究生助教***老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在农大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 年 月 日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 年 月 日 基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 图1-1 翅片管式换热器实物模型 图1-3 10热管穿finCPU散热器 图1-2 忍者I代塔式穿fin散热器 图1-4 平直翅片管模型 图1-5 工程物理问题数值计算的一般步骤 图2-1 叉排布置的翅片管换热器 图2-2 顺排布置的翅片管换热器 图2-3 计算区域选取示意图 图2-4 平直翅片管式换热器单元结构 图2-5 边界条件设定图 图3-1 CFD软件的一般组成结构 图3-2 网格划分示意图 图3-3 翅片表面部分网格划分 图3-4 近翅片区域采用边界层加密 图4-1 入口速度为1.3m/s时的速度分布 图4-3 入口速度为1.3m/s时管后涡流区 图4-2 入口速度为1.3m/s时的流线图 图4-4 翅片表面温度分布 图4-6 入口速度为1.3m/s时流道内温度分布 图4-5 入口速度为1.0m/s时流道内温度分布 图4-7 入口速度为1.3m/s时流道内压力分布 图4-8 Re数与Nu 数关系图 图4-9 Re数与阻力系数f关系图 图4-10 Re数与综合性能指数j/f关系图 图4-11 不同翅片间距下u与h关系图 图4-13 不同翅片间距下Re与f关系图 图4-12 不同翅片间距下速度与压降关系图 图4-15 2排管流道压力分布图 图4-14 2排管流道温度分布图 图4-17 2排管内流线图 图4-16 2排管内速度分布图 图4-19 4排管流道内速度分布图 图4-18 4排管流道内压力分布图 图4-20 不同管排流道内u-h关系图 图4-21 不同管排流道内速度与压降关系图 图4-23 横向间距2.4时温度分布图 图4-22 横向间距2.0时温度分布图 图4-25 横向间距2.4时速度分布图 图4-24 横向间距2.0时速度分布图 图4-26 横向间距2.0压力分布图 图4-27 横向间距2.4时压力分布图 图4-28 不同横向间距u-h关系图 图4-29 不同横向间距速度与压降关系图 图4-31 纵向间距3.0速度分布图 图4-30 纵向间距2.6速度分布图 图4-33 纵向间距3.0压力分布图 图4-32 纵向间距2.6压力分布图 图4-35 纵向间距3.0温度分布图 图4-34 纵向间距2.6温度分布图 图4-36 不同纵向间距u-h关系图 图4-37 不同纵向间距速度与压降关系图 图4-39 顺排管束温度分布图 图4-38 叉排管束温度分布图 图4-41 顺排管束速度分布图 图4-40 叉排管束速度分布图 图4-43 顺排管束流线图 图4-42 叉排管束流线图 图4-45 顺排管束压力分布图 图4-44 叉排管束压力分布图 图4-46 不同管排方式u-h关系图 图4-47 不同管排方式速度与压降图 - 4 - _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.unknown _1234567905.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567906.unknown _1234567904.unknown _1234567902.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.unknown _1234567893.unknown _1234567896.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown