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　　流动传热问题先进算法及其在强化空气对流传热应用中的研究

　　作者姓名：屈治国

　　论文题目：流动传热问题先进算法及其在强化空气对流传热应用中的研究

　　作者简介：屈治国，男，1978年02月出生，2002年03月师从于西安交通大学陶文铨教授，于2005年06月获博士学位。

　　中文摘要

　　数值研究由于成本低、可以获得流场详细信息等优点对工程流动传热问题的研究起着重要的作用。复杂强化传热表面设计需要较大的计算机存储量或涉及流体和固体耦合很强的计算区域，对数值方法收敛速度、稳定性和实用性提出了新的挑战，因此开展高效数值方法的研究有着重要的意义。本文着重研究先进数值算法及其在空气对流强化传热数值模拟中的应用。本论文的主要贡献如下。

　　针对速度和压力耦合问题，本文提出一种新的全隐分离式求解算法 -CLEAR(Coupled and Linked Equations Algorithm

　　Revised)。CLEAR算法完全舍弃了计算流体和计算传热学界广泛使用的SIMPLE系列半隐算法的两个基本假设(参见：Tao W Q, Qu Z G, He

　　Y L. A novel segregated algorithm for incompressible fluid flow and heat

　　transfer problems - CLEAR (Coupled and Linked Equations Algorithm Revised) part

　　I: Mathematical formulation and solution procedure. Numerical Heat Transfer,

　　Part B, 2004.45 (1): 1-17(他引4 次);Tao W Q, Qu Z G, He Y L. A novel segregated

　　algorithm for incompressible fluid flow and heat transfer problems - CLEAR

　　(Coupled and Linked Equations Algorithm Revised) part II: Application examples.

　　Numerical Heat Transfer, Part B, 2004. 45 (1): 19-48.

　　(他引3次))。本文分别详细给出CLEAR算法在交错网格、同位网格(参见：Qu Z G, Tao W Q, He Y L. Implementation of

　　CLEAR algorithm on collocated grid system and application examples. Numerical

　　Heat Transfer, Par B, 2005, 47(1),

　　64-96)、非正交曲线坐标系(该内容的两篇文章在2006年接受，于2007年初发表，参见论文清单附注，Qu Z G, He Y L, Zhao C Y,

　　Tao W Q. Implementation of CLEAR algorithm on non- orthogonal curvilinear

　　coordinates for solution of incompressible flow and heat transfer. Int J

　　Numerical Methods in Fluids. 2007, 53: 1077-1015. (他引1 次);Qu Z. G. Tao W Q., He

　　Y. L. An improved numerical scheme for SIMPLER on non- orthogonal curvilinear

　　coordinates, SIMPLERM. Numerical Heat Transfer, B, 2007, 51 (1):43-66.

　　(他引7次))和可压缩流动下的数学推导和实施方法。研究结果表明：对不可压缩流动，CLEAR算法与SIMPLER算法相比，CLEAR算法不仅可以极大地提高算法的收敛速度(平均而言可提高一倍)，而且具有较高的健壮性;对可压缩流动，CLEAR算法的收敛性能与Ma数密切相关。对亚音速流动和小亚松弛因子下的跨音速和超音速流动，CLEAR算法与SIMPLE算法相比仍可以明显加速迭代收敛，对高松弛因子下的跨音速和超音速流动，CLEAR算法收敛速度与SIMPLE算法相当或略低于SIMPLE算法，但健壮性仍优于后者。

　　针对电子设备空气冷却模拟问题，本文将有限元方法和有限容积相结合提出直角坐标非结构化网格方法，该方法可以解决采用常规的区域扩充法有时难以收敛的问题。在直角坐标非结构化网格方法实施中，本文提出了大型带状稀疏矩阵列方向压缩二维存储的方法。

　　对三种典型的散热器进行了空气强制对流侧吹和顶吹的实验研究，对实验结果较好的两种散热器在侧吹的情况下采用所提出的直角坐标非结构化网格算法进行了数值模拟。实验研究发现芯片加热功率对散热器表面传热系数和热阻影响不大。对未采用强化的散热器，存在一个临界流速，在流速高于该流速时，顶吹热阻要高于侧吹。对翅片纵向带有切口的散热器，在实验速度范围内侧吹要优于顶吹。本文建立了散热器传热与流动的全三维数值模型，研究了几何参数对散热器热阻的影响。数值研究结果表明导热热阻和对流热阻处于同一数量级，要有效地提高散热器性能需要对导热和对流同时进行强化。

　　采用数值方法验证了场协同原理也同样适用于椭圆型流动，并用场协同原理对传统的强化单相对流换热三种技术进行统一的分析，表明场协同原理是强化单相对流换热的统一理论。

　　对开缝翅片管换热器中空气侧流动和传热建立了三维数值模型并进行了数值模拟。研究结果表明开缝翅片强化传热的本质是改善速度场和温度场的协同。本文提出了

　　“前疏后密”的开缝布置原则(参见：Qu Z G, Tao W Q, He Y L. Three- dimensional numerical

　　simulation on laminar heat transfer and fluid flow characteristics of strip fin

　　surface with X- arrangements of strips. ASME Journal of Heat Transfer. 2004,

　　126(5): 697-707; Cheng Y P, Qu Z G, Numerical design of efficient slotted fin

　　surface based on the field synergy principle. Numerical Heat Transfer, Part A,

　　2004，45(6):517-538.

　　(他引2次);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，工程热物理学报，2003，24(5)：825-827.

　　发明专利：陶文铨，屈治国，程永攀，何雅玲.

　　强化换热翅片，授权号：ZL.03108079.0)，其主要思想是：在速度场和温度场协同较差的区域(流动下游)开缝比在速度场和流动场协同性较好的区域(流动上游)更为有效。“前疏后密”的开缝布置可以在阻力增加不多的情况下强化传热。本文进一步推广了这一概念，指出在速度场和温度场协同性较差的区域采取强化传热措施可以更有效地强化传热，(“前疏后密”开缝翅片强化传热技术已于2004年12月通过教育部组织的专家鉴定，鉴定委员会一致认为，本成果从总体上已达到国际领先水平。

　　本成果的前疏后密开缝翅片技术已经由杭氧股份有限公司应用到三个工程的气体冷却器中，使用效果良好，使产品原材料和能耗均降低了20%，相关成果获得2005年陕西省科学技术一等奖。)这对高效强化传热表面的设计具有一般的指导意义(该成果在三个国际会议作为特邀报告进行介绍，参见

　　Tao W Q, He Y L, Qu Z G, Cheng Y P. Application of the field synergy principle

　　in developing new type heat transfer enhanced surfaces. Proceedings of 3rd

　　International Symposium on Heat Transfer and Energy Conversion, Guangzhou,

　　China. Jan12-15;W.Q.Tao, Y.L.He, and Z.G.Qu. New design approach for slotted fin

　　surfaces with high performance，Proceeding of Fifth International Symposium on

　　Maultiphase Flow, Heat Mass transfer and Energy Conversion, July, 2005,

　　Xi’an.;Ya- ling He, Wen-quan Tao, Zhi- guo Qu New understanding of convective

　　heat transfer enhancement and its engineering application, Proceeding of 18th

　　National and 7th ISHMET- ASME Heat and Mass Transfer Conference, 2006 , Jan 4-6

　　, IIT Guwahati India.)。

　　关键词：数值方法;强化传热;CLEAR;SIMPLRER;SIMPLE;交错网格;同位网格;非正交曲线坐标系;可压缩流动;收敛速度;场协同;开缝翅片;前疏后密

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