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式的翅片管换热器用Star-CD进行了二维与二维数值模拟。1999年,Wang等[11]提出,通过增加翅片密度并促进流体瑞流,可以增加紧凑型气-气换热器:::侧流体的换热面积。增加翅片密度形式多样,例如平翅片、条缝翅片、西叶窗翅片等等。该作者在原有气换热器基础上,用三种方法增加条缝翅片,做大量实验检测换热器性能,实验结果表明:换热系数和压降值随翅片密度的增加相应增大。2000年,Roniero-Mendez[12]通过流动可视化模拟计算考察单排翅片管换热器管外侧翅片间距对换热性能的影响。利用局部Nu数表示翅片表面对流换热分布,结果表明,在涡流位置Nu数达到高峰值,在管尾部区域Nu数很小。2001年,Meyer[13]又对翅片管换热器的入口处中气流动损失进行实验研究,发现入口交气流动损失量与通过换热器的中气平均速度无关,而与入口处空气和进口的倾斜角有关;利用实验结果总结出无量纲压降报尖系数。在文献[14]中,作者对9种结构不的双金属螺旋翅符进行了传热和阻力性能的分析。水在管内流动,交气垂直流向管子,为获得传热系数采用NTU法,给出了气侧压降关于几何参数的关联式。结来表明,空气侧的传热系数比文献中关联式大20%左右，;空气被冷却得到的换热系数比空气被加热得到的换热系数大。2005年,Kim等[15]对具有大尺寸翅片问距的9翅片符换热器进行了实验研究。测试了 22个换热器,它们的翅片问距、管排数、管排列形式等结构参数不同。研究发现,翅片TllMi降低,管排数培加,其余结构参数不变的情况下,空气侧换热系数降低:针对不同排管的换热器,以管外径为均最进径,Re数变化范围从500到900,翅片间距.从l5.0iTim降低到7.5mm,空气侧换热系数会降低大约10%;同翅片间距情形下,管排数从1增加到4,换热系数会逐渐降低;与顺排换热器相比,叉排换热器提高了换热性能。2007年,Sahin等[16]三维数值模拟研究平翅片管换热器进口角度和换热特性的关系。2009年,Naphon[17]值模拟研究波纹片结构参数对温度和流动分的影响。得出在热流条件情况下,流体流过波纹片,不断破坏热边界条件:波纹夹角的大小影响换量。所以,V型波纹片是增强换热和加强换热器紧密性的好方法。2010年,Choi[18]等对34个不同结构尺寸的换热器进行实验研究,得出结论:不连续的翅片换热器的j因子方程式与式结构尺相关,对于翅片间距从7.5mm变化到15mrn的情况,不连续平翅片换热器的j因子比连续平翅片管换热器的J因子高6.0%-11.6%。2010印,BoiTajo-Pelaez等[19]对平翅片管空气侧换热特性模拟。以前对空气侧换热特性的模拟只是分析换热器空气侧,而把翅片与管壁温度设为定值。该作者模拟的目的是证明只考虑空气侧的情况与同时考虑空气与水侧流动特性的情况存在不同,从数、翅片间距、管径尺寸、翅片长度和翅片厚度等几个方面讨论,得出换热值更加精确,更好的预测换热性能,该文章的模拟效果更接近实际情形。2011年,八Aris[20]提出,空气强制对流散热管冷却系统在电力电子设备(例如微处理器和IGBT)中扮演着卒要的角色。由于设备运行中热量散失增加,需要研究新方法提高冷凝器的换热性能。作者研究了在翅片表面开厂角翼处理,这一设计形成的纵向祸流促使冷热流体的混合,强化了换热。2012年,Aslam Bhutta[21]总结CFD在换热器研究领域的应用以及实现模拟效染所使)U
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的算法。通过前人的模拟结果可知CTD软件是展示换热器性能的有效工具。 1.3.2国内研究现状和数值模拟
数值模拟的基础是数值传热学，数值传热学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（例如速度场，温度场，浓度场等），用一系列有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点变量值之间关系的代数方程（称为离散方程）。求解所建立起来的代数方程从而获得求解变量的近似值。数值模拟研究方法主要集中在下面两个方面： （1）几何参数对换热及流动的影响； （2）雷诺数 Re 对换热及流动的影响。
通过数值模拟可以得到整个流场的基本信息，再通过计算得到想要的性能参数（如 Nu、压差 Δp、换热因子 j、阻力因子f 等等），对这些数据进行对比观察，得到所要结果。
王先超、水黎明[22]等人，通过对波纹翅片数值模拟的分析,得出了影响波纹翅片换热因子j和阻力因子f 的因素,同时把不同雷诺数Re下的波纹翅片与矩形翅片（即平直翅片）、矩形开缝翅片（平直翅片开缝得到）进行了分析比较。结果发现：翅片厚度对波纹翅片的换热因子j 和阻力因子f 影响不大,但翅片间距sf对波纹翅片的阻力因子 f 影响较大；雷诺数 Re 在 400～2000 范围内时,波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 2～28 倍之间,阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 28～4 倍；雷诺数在 2000～10000 范围内,波纹翅片的换热因子 j 是同雷诺数下矩形翅片的 2～28 倍之间,阻力因子 f 是同雷诺数下矩形翅片的 35～4 倍；波纹翅片与矩形开缝翅片的阻力因子 j 随雷诺数的变化很小,两者非常接近。
李媛[23]等人以 3 种常见的翅片类型(平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片)为研究对象,利用标准k-ε双方程湍流模型求解三维Navier-Stokes方程,采用计算流体动力学(CFD)方法模拟和分析了板翅式换热器单通道中，不同结构参数和操作参数对翅片表面换热与流动的影响 ,并将不同实验参数下的数据制作成曲线图表,发现3种翅片的换热因子 j 和阻力因子 f 随雷诺数 Re 的增大而递减，这与他们的实验[24]得出的结论是一致的,这就说明了：将数值模拟方法应用于翅片表面换热和流动特性研究是可行的。然后进一步分析了波纹翅片的波幅与翅片间距对其表面换热与流动性能的影响规律，结果发现：波纹翅片的波幅越大、翅片间距越大,换热因子 j 越大，即传热效果越好。
最后把3种翅片在相同操作条件下的j因子和f因子进行比较发现: 锯齿翅片和波纹翅片的传热性能优于平直翅片, 说明改善换热器换热表面的几何形状对板翅式换热器的性能影响至关重要。
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王维斌、傅宪辉、吴茂刚[25]等人以波浪形翅片和人字形翅片为研究对象,在合理简化条件下给出了物理模型和数学模型,通过对不同进口风速下翅片通道的换热和流动特性进行了数值模拟研究。通过对传热系数,Nu数，压降以及涡量分布的对比分析,结果表明:波纹翅片改变了流体的流向,增加了换热面积,增强了流体扰动,由于漩涡的形成与分离,减薄或者破坏了热边界层的连续发展,使其换热特性得到有效强化；同时也增大了阻力损失,但是换热增加的幅度要大于阻力增加的幅度。随着风速的增加,翅片表面的换热系数、Nu 数以及压降也随之增加。在相同的模拟条件下,人字形翅片的换热性能高于波浪形翅片,但是阻力损失却相差不大,波浪形翅片在减少流动损失方面没有很大的优势。两者流动与传热特性的差别,主要是因为翅片流场中漩涡的形成与脱落存在差异。
黄小辉、毕小平[26]等人通过建立一个板翅式机油散热器冷却空气侧波纹翅片通道的稳态湍流数学模型。作者以波纹形翅片表面为研究对象,利用 Fluent 软件，进口条件设置为流量进口，出口条件为压力出口，翅片表面和隔板设置为壁面，并在进出口处分别设置延伸段来使流场充分发展。采用标准 k-ε湍流模型和 SIMPLE 算法求解三维Navier-Stokes方程,模拟和分析了板翅式散热器双通道不同参数对翅片表面传热与流动阻力的影响，发现：阻力系数随着进口流速的增大而减小。通过分析得到了阻力系数与平均流速的拟合函数，计算结果与实验数据基本吻合，更进一步说明 CFD 方法的可行性。
总之，可供使用的多种翅形 j 因子和 f 因子数据已有不少，但可供设计计算使用的拟合关联式却很有限．因此，应用计算流体力学(CFD)，流动可视化技术和模拟测试来研究翅片换热和流动的本质，并建立 j 因子和 f 因子数据库将是今后十分重要的工作。
从上述的文献综述可看出,大量学者对翅片管换热器的换热特性进行研究并取得了一定的成果,但还存在如下儿个问题:
(1)目前对平翅片?管换热器的流动与换热特性研究得比较多,对波纹翅片管换热器的研究还不够完善,或者说针对波纹翅片管换热器的换热机理研究不够;
(2)多数文献中针对管排数较少的翅片管换热器研究,而对多管排形式下的翅片管换热器研究较少;
(3)目前对波纹翅片管换热器表面的流动与换热特性的研究主要集屮在实验研究方面,由于其结构的复杂性,数值模拟工作开展的较少。然而实验只在一定范围内对换热及肌力特性进行研究,获得具有很大局限性的经验关联式,对于多管排形式下的换热器中各管区域的换热特性不能进行细致的研究。 1.33翅片管式换热器及发展趋势
20世纪60年代以前，普通的翅片管式换热器多采用表面结构未做任何处理的平翅片，这种形式的翅片除增大换热面积来达到强化传热的效果以外，再无其他强化传
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热作用。
直至目前，这一方法仍是所有各种管式换热面强化传热方法中运用的最为广泛的一种。翅片管式换热器是人们在改进管式换热面的过程中最早也是最成功地发现之一。它不仅适用于单相流体的流动，而且对相变换热也有很大的价值。
通过调整换热器的翅片间距，设计成为变翅片间距，实现结构优化，并对其换热性能与改进前换热器进行对比计算，提高了换热器的传热系数。本方法适用于将该换热器用于低温制冷系统中的蒸发器。当气流通过蒸发器时，由于空气中的水蒸气不断地在翅片管表面沉积，空气由于除湿作用相对湿度降低，沿气流方向翅片盘管表面结霜量是递减的，如果采取变片距结构，可以在结霜条件下保持其较高的传热效率，并延长其冲霜时间。当蒸发器采用变翅片间距结构时，实际上已构成了翅片的错列分布，当空气横掠错列翅片时，翅片的交错分布使得上游翅片对下游翅片有绕流作用，由于前面翅片的绕流，翅片的前半部分换热加强，后面的翅片的分布又使得流道变窄，流速提高，翅片后半部分的换热也得到强化。
通过变翅片间距的结构改进，冷风机在外形尺寸即高度、宽度和管总长度不变的前提下，在结霜工况下运行时仍可保持较高的传热系数，且采用变翅片间距结构的冷风机比等翅片间距结构冷风机的传热系数提高了9.8％，且传热面积有所提高，通过提高传热系数和传热面积从而达到强化传热的目的。
加强管内流体流动，管内壁加工变螺距内螺纹。在不增大整体设备尺寸的前提下，增加其内表面换热面积，加强管内流体的扰动，在原有换热器的管内壁上加工变螺距内螺纹。当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时，管外的对流传热热阻将成为传热的主要阻力。采用扩展表面，对于缩小换热器体积，提高换热器效率有很重要的作用。目前，已经开发出了针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开槽条形片、裂齿矩形翅片等等。
管内表面积的增大主要集中在异型管的开发方面，综观各种不同形状的强化管，其共同特点是在兼顾压降的同时，传热面积都有不同程度的增加，并通过两种机理提高其传热系数进行强化换热。传热边界层是限制传热系数提高的最主要因素，它产生于靠近管壁的层流底层，并有一个逐渐增厚的过程。管壁的粗糙以及规则出现的沟槽、凸肋，会破坏贴壁层流状态，抑制边界层的发展。同时沟槽和凸肋对流体的限流作用有助于边界层的减薄，而绕流作用使流体产生轴向旋涡，可致使边界层分离，流体主体径向温度梯度减小，有助于热量传递的进行。
在已加工好的管壁内部加工变螺距内螺纹，不但可以扩大管子的内表面积，增加传热面积，并且由于管子不再是光管，内部有螺纹所以内壁变得粗糙，可以破坏层流边界层，使管内的制冷剂的流态变成紊流，从而提高管内对流换热系数。同时，因为采用变螺距，沿着流体流动方向螺距从大变小，这样可增强流体的扰动，强化流体的换热系数。
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1.4本文的研究工作
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FLUENT6.3商业软件对波纹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，得出波纹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。最后考察了波纹形式、管排、翅片间距、波峰到波谷投射长度和波峰到波谷高度对流动换热性能的影响。
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，建立波纹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. 根据设备中常见的整体式波纹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，为工业应用上波纹翅片管结构的设计和改进、优化分析提供理论依据。
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