热能与动力工程毕业论文目录1 绪论 (3)1.1 课题背景及研究意义 (3)1.1.1 强化传热技术概述 (3)1.1.2 翅片管换热器强化传热技术 (4)1.2 翅片管强化传热的数值解法 (6)1.3 平直翅片管换热器的研究进展及成果 (9)1.3.1 平直翅片管实验研究进展及成果 (10)1.3.2 平直翅片管数值研究进展及成果 (11)1.4 本文的主要研究内容 (13)2 平直翅片管换热流动模型建立与分析 (14)2.1平直翅片管换热与流动特性物理过程的描述 (14)2.2平直翅片管换热器物理模型的建立 (14)2.3.1物理模型的几何尺寸 (14)2.3.2计算区域的选取 (14)2.3平直翅片管数学模型描述与简化假设 (15)2.3.3基本简化假设与定解条件 (15)2.3.4基本控制方程 (16)2.3.5相关参数的确定 (17)2.3.6物理模型的边界条件及初始条件 (18)3 基于Fluent平直翅片管数值模拟及CFD简介 (20)3.1常用数值计算方法简介 (20)3.2CFD概述 (22)3.2.1 计算流体动力学简介 (22)3.2.2 计算流体动力学的工作步骤 (22)3.2.3 计算流体动力学的特点 (23)3.2.4 CFD软件介绍 (23)3.3FLUENT软件概述及GAMBIT简介 (24)3.3.1 FLUENT程序结构 (25)3.3.2 利用FLUENT的求解步骤 (25)3.4平直翅片管基于FLUENT数值模拟 (26)3.4.1 计算区域网格的划分 (26)3.4.2 求解器的选择 (27)3.4.3 控制方程的离散及收敛标准 (27)4 平直翅片管数值计算结果及数据分析 (29)4.1 迭代残差图 (29)4.2 雷诺数对平直翅片管换热与压降特性的影响 (29)4.2.1速度场分布 (30)4.2.2温度场分布 (31)4.2.3压力场分布 (32)4.2.4雷诺数Re与Nu关系 (32)4.2.5雷诺数Re与阻力系数f关系 (33)4.2.6雷诺数Re与综合性能指数j/f的关系 (33)4.3 翅片间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 (34)4.3.1翅片间距对换热性能的影响 (34)4.3.2翅片间距对压降特性的影响 (35)4.4 管排数对平直翅片管换热与压降特性的影响 (35)4.4.1多排管束的流场分布 (35)4.4.2管排数对换热特性的影响 (36)4.4.3管排数对压降特性的影响 (37)4.5 管排横向间距对平直翅片管换热与压降特性的影响 (37)4.5.1 不同横向间距的管排内流场分布 (38)4.5.2 横向间距对换热性能的影响 (39)4.5.3 横向间距对压降性能的影响 (39)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)4.6.1不同纵向间距管排内流场的分布 (40)4.6.2纵向间距对换热性能的影响 (41)4.6.3纵向间距对阻力性能的影响 (41)4.7 管排方式对平直翅片管换热与压降特性的影响 (42)4.7.1顺排、叉排的流场分布 (42)4.7.2顺排、叉排方式换热性能的差异分析 (43)4.7.3顺排、叉排方式压降特性的差异分析 (44)结论 (45)致谢 (47)参考文献 (48)英文资料 (50)中文翻译 (56)1 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。
图1-1 翅片管式换热器实物模型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。
图1-2 忍者I代塔式穿fin散热器图1-3 10热管穿finCPU散热器图1-4 平直翅片管模型研究发现，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。
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 HeatTransfer，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]。