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多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用点击：2070 日期：[ 2014-04-26 21:13:50 ] |
| 多孔介质模型在板翅式换热器数值模拟中的应用 朱冬生1，2，毛玮1，蓝少健1，张鸿声1 (1．华南理工大学化学与化工学院，传热强化与节能教育部重点实验室，广东广州510640;2．华东理工大学，上海200237) 摘要:利用FLUENT软件中的多孔介质模型，对板翅式燃气热水器换热器芯体内流体的流动与传热进行三维数值模拟。计算分析了不同操作参数条件下，换热器芯体的流场分布特点，计算结果与热水器样机测试实验结果吻合，表明该模型的应用是切实可行的。 关键词:板翅式;芯体;多孔介质;数值模拟 中图分类号:TQ 051．5文献标识码:A doi:10．3969/j．issn．1005－0329．2012．04．015 文章编号:1005－0329(2012)04－0063－05 1·引言 板翅式换热器芯体结构复杂，存在隔板、翅片等大量的固体构件。在进行计算机模拟的时候，将流体、固体划入同一个控制体，通过对守恒方程及差分方法的修改来表现固体的影响。基于多孔介质模型的数值模拟方法就是这样的一种方法，它用体积穿透率即流体体积与整个控制体体积的比值表示固体构件对控制体内流体体积的影响，用表面穿透率即流体表面与控制体表面的比值来表示固体构件对控制体表面作用力的影响。 这种方法在20世纪70年代被用于模拟换热器和核反应堆中流体的流动和传热问题。换热器中存在大量的换热管道和阻碍片，要模拟具有500根换热管和10个阻碍片的换热器中的流动，将需要1．5亿个网格单元，这大大超出了目前计算机的计算能力［1～4］。为此，Patankar和Spalding提出了多孔介质模型的方法［5］。之后，Sha等采用这种方法模拟了蒸汽发生器和核反应堆堆芯中流体的流动［6］，Karayannis等采用此方法模拟了换热器中的流动［7，8］，Prithiviraj和Andrews模拟了三维换热器中的流动［9］。 本文通过FLUENT软件提供的多孔介质模型，对板翅式燃气热水器换热器芯体内流体的流动与传热进行三维数值模拟，可以很好地解决计算量庞大的问题。 2·模型建立 2．1物理模型 本文考虑芯体结构的对称性，其几何模型取一个水侧通道及其两侧半个烟气通道，如图1所示，纵向代表烟气流动方向，横向代表卫生用水流动方向，两侧面为对称面。几何模型结构参数为长168mm，高78mm，水侧通道宽3mm，烟气侧通道宽6mm，隔板厚为0．6mm。 2．2数学模型 多孔介质的控制方程与标准控制方程有所区别，但同样满足连续性方程、动量方程以及能量方程，分别介绍如下: 连续性方程。多孔介质的连续性方程与标准的连续性方程一样，可表示为［10］: 动量方程。多孔介质的动量方程是在标准的动量方程基础上附加动量源项而得到的［8］。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项，另一个是内部损失项: 式中Si———i向动量源项 D、C———粘性和惯性阻力系数矩阵 μ———流体粘度 ρ———流体密度 vj———j向流体速度 源项直接导致多孔介质内压力梯度分布的改变。因此，压降与速度大小是呈一定比例关系的。对于简单的均匀多孔介质: 式中α———渗透性 C2———内部阻力因子 常数C2可以看成是沿着流动方向每一单位长度的损失系数，详细计算方法可见文献［11］。能量方程。对于多孔介质流动，FLUENT仍然解标准能量输运方程，只是修改了传导流量和过度项。在多孔介质中，传导流量使用有效传导系数，过渡项包括了介质固体区域的热惯量: 2．3边界条件 对于本文所模拟的对象，共有四类边界条件，分别为入口边界条件，出口边界条件，壁面边界条件，对称面边界条件。 (1)入口边界条件。本文模型入口边界设定为速度边界条件，入口烟温取1323K，烟气入口流速分别取相应热水器进口燃气压力下的烟气流速。入口水温为298K，水入口流速分别取热水器不同流量下的水流速度;(2)出口边界条件。本文模型出口边界设定为压力出口边界条件，均为默认值;(3)壁面边界条件。本文模型除耦合壁面外，其余壁面均设为绝热壁面边界，材料为不锈钢;(4)对称面边界条件。本文模型是对称的几何结构，因此在模型两侧面使用对称边界条件，这样FLUENT就会按照对称性对模型进行计算。 3·计算结果与讨论 3．1模拟结果分析 图2是换热器芯体横向截面X=84mm处的温度分布图，从图中可以看出，图2(a)中烟气出口温度基本保持入口时的水平，只是在靠近壁面处的温度有所下降，表明矩形空腔的传热效果十分不明显;图2(b)中烟气温度沿着流体通道前进方向逐渐降低，两图对比表明翅片的存在使烟气通过烟气侧通道时温度大幅度下降，换热效果增强。 同时可以看出，芯体底部靠近隔板壁面的流水温度较高，换热效果比顶部明显，这是由于芯体底部两流体温差大，传热推动力大，换热效果明显。 图3是换热器芯体纵向截面Z=39mm处的温度分布，其中图3(a)为矩形空腔，图3(b)是添加多孔介质模型情况。从图中可以看出，图3(a)中流水温度沿Y方向温度变化明显，而沿流体流动方向温度变化不大，但由于流道狭窄，通过隔板壁面传递的热量仍能使流道内水温升高，因而出水温度比进水温度有所升高;图3(b)中流水温度除了沿Y方向温度发生变化以外，沿着流体通道前进方向温度逐渐升高且梯度变化相对明显，进口水温与出口水温相差大，换热效果较好。两图对比表明，水侧翅片对水流道有强化传热作用，但与烟气通道相比翅片作用效果不是特别明显。 图4是换热器芯体横向截面X=84mm处的压力分布，其中图4(a)为矩形空腔，图4(b)是添加多孔介质模型情况，由于烟气侧通道流体压力与水流道相比要小很多，所以图中仅显示烟气侧通道流体压力范围内的压力分布情况。从图中可以看出，该工况下，烟气侧压降比较小，约为13Pa。烟气侧压力分布沿着烟气通道逐渐降低，在通道入口处压力梯度变化相当明显。同时从两图对比中可以看出，存在多孔介质模型的情况压降较大，表明翅片在强化传热的同时给流体通道增加了阻力。 图5是换热器芯体横向截面Z=39mm处的压力分布，其中图5(a)为矩形空腔，图5(b)是添加多孔介质模型情况。从图中可以看出，水侧通道流体压力分布与烟气侧相似，压力沿着水流方向逐渐降低，但压降比烟气侧要大很多，约为94Pa。 3．2模拟结果验证 本文研究的不锈钢板翅式换热器用于改造燃气热水器换热系统，因而在完成样机加工基础上，搭建了热水器传热性能测试平台进行试验测试，并通过测试结果验证数值模拟。由于实验条件的限制，本试验中无法直接测到换热器内烟气的速度场、温度场的分布。因此，通过比较相同条件下，试验中测得的排烟温度、出水温度及出水压降与模拟结果是否一致进行判断。 3．2．1排烟温度 图6为在水流量Vw为0．60m3/h条件下，排烟温度随燃气压力的变化曲线。从图中可以看出，两曲线走势吻合很好。在额定燃气压力(2．8kPa)下，模拟值为157．89℃，试验测得值为163．5℃，两者误差为3．4%，因此模拟结果与试验结果能够很好的吻合。 3．2．2出水温度 图7为在水流量Vw为0．60m3/h条件下，出口水温随燃气压力的变化曲线。图中两曲线走势吻合很好，在燃气压力为2．8kPa下，模拟值为55．12℃，试验测得值为49．2℃，两者误差为12%，分析原因可能在于试验中热水器进口水温经过燃烧室盘管换热温升比理论值要低，考虑到换热器进口水温的差异，可以认为模拟结果与试验结果吻合。 3．2．3出水压降 图8为在热水器燃气压力为2．8kPa条件下，水侧通道流体压降随进水流量的变化曲线。从图中可以看出，在固定水流量0．60m3/h下，模拟值为93．3Pa，试验测得值为111．9Pa，两者误差为16．6%，分析误差较大的原因在于模拟计算所得压降值只是芯体部分流体的压降值，而试验测得的流体压降包括流体经过封头、接管以及小部分管道的压降，因此试验所测得的压降值会比模拟计算值偏大，但总体比较吻合。 4·结语 本文以板翅式燃气热水器换热器为研究对象，对换热器芯体三维流场进行了流动与传热数值模拟。在不同的流体操作参数下，得到了换热器芯体流体流场分布特点，并对结果进行了讨论，计算结果与试验结果相符，说明计算模型合适。本文利用FLUENT软件进行的换热器芯体流场三维数值模拟，是对换热器数值研究的有益探索。 参考文献：略 |
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