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板翅式换热器翅片通道中流体与传热的计算力学模拟点击：2182 日期：[ 2014-04-26 22:14:27 ] |
| 板翅式换热器翅片通道中流体流动与传热的计算流体力学模拟 祝银海 厉彦忠 (西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049) 摘要：针对平直形和锯齿形两种不同翅片类型，利用计算流体动力学(CFD)软件FI UENT对板翅式换热器的微小通道进行了模拟，得出了通道中流体的流动与传热特性．计算结果表明，在相同情况下，平直形和锯齿形翅片中冷热流体的局部传热系数的最大值都出现在入口处；在锯齿形翅片的相邻2个锯齿的交错面上，流体的局部传热系数和压力存在突变，流体的边界层厚度要薄于在平直形翅片中的厚度，流体的局部换热系数要和压损大于其在平直形翅片中的值． 关键词：计算流体力学模拟；板翅式换热器；锯齿形翅片；平直形翅片 中图分类号：TK 124 文献标识码：A 文章编号：0438—11 57 (2006)05—1102—05 引言 传统的板翅式换热器设计一般是依靠简单的流传热理论分析，利用实验数据拟合的经验关系确定其结构形式的．但是这需要大量的实验经及很长的实验周期，而且这样得到的换热器形式并不能保证是最佳的方案． 因此，近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究，提出通过计算流体力学(CFD)模拟计算，来评价和优化设计方案，在获得直观、快捷结果的同时大幅度地减少试验研究工作量[1]． 由于板翅式换热器结构的复杂性，对其CFD模拟的研究文献较少． 张哲等L2 对板翅式换热器的封头结构和导流片进行了CFD模拟，研究了导流片的最佳导流角度． 彭波涛等[3]采用微分计算模型对多股流板翅式换热器的优化设计问题进行了研究，提出了一种有效的通道排列方法．Osamu Tonomura等 对平板式换热器进行了CFD模拟，对其结构进行了设计和优化．本文对平直形和锯齿形两种翅片形式的板翅式换热器的微小通道进行了CFD模拟，得到了流体在通道中流动与传热的特性，并对两种翅片结构的换热性能进行比较，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据． 1 物理模型和求解 1．1 物理模型及简化 图1为板翅式换热器两种翅片的结构示意图，翅片结构尺寸见图1(a)，换热器长度为500 mm，都采用逆流单叠布置，且冷热流体质量流量相同，流体工质都为He． 由于换热器微通道的尺寸都在毫米数量级，而长度在米的数量级上， 因此要用CFD软件模拟整个换热器的流动和传热是不现实的．本文做了如下简化： (1)假设冷热通道的翅片宽度相同，且排列一致，则根据流动与传热的对称性，对于平直形和锯齿形翅片，在换热器截面上分别取图1(a)和图1 (c)虚线框中的区域为研究对象． (2)对于锯齿形翅片，在长度方向上假设冷热通道翅片的锯齿长度和排列一致[如图l(b)所示]，则根据流动与传热的周期性，在换热器长度方向上将图1(d)截面2中的区域定义为一个周期单元．由于锯齿形翅片的结构比平直形翅片更为复杂，为了使计算能够进行，同时保证计算结果能反映锯齿形翅片换热器的真实特性，本文对冷流体入口段长度为14 mm (即4 周期单元)的翅片进行了模拟计算． (3)不考虑变物性，定性温度和压力为流体进出换热器时的平均值． 1．2 控制方程组 本文的计算中，工质He为常物性不可压缩流体，描述其流动与传热的控制方程如下连续性方程 1．3 网格的划分 计算模型的网格在软件GAMBIT中生成． 为了准确地模拟出微小通道内的流动和传热，同时又要控制网格的数目，采用给壁面加边界层和局部加密网格两种方法，通道截面的网格如图2所示．平直形翅片计算长度500 mm，网格单元数为600657个． 锯齿形翅片的计算长度为14 mFi1，网格单元数为1038104个． 1．4 边界条件和收敛的判断 (1)冷热流体的入门采用质量入口边界条件．其中冷流体的质量流速为2．0 kg·m ·s ，入口温度为3O K，入口压强为100 kPa；热流体的质量流速为4．13 kg·m ·s ，入口温度为300 K，入口压强为800 kPa． 在模拟锯齿形翅片时，为了使计算的结果能和平直形翅片作比较，其热流体的入口温度设为74．8 K； (2)冷热流体的出口采用压力出口边界； (3)模型上下左右四个面采用轴边界； (4)流体工质、翅片和隔板的两两相交面采用壁面边界的耦合类型．冷热流体的入口Reynolds数分别为400和710，算法采用FLUENT 中的三维定常层流的分离解算器．在求解过程中，迭代足够多次，当连续性方程、动量方程和能量方程中变量的残差均不随计算发生改变时，认为计算收敛． 2 计算结果与分析 2．1 两种翅片中流体的速度场分布 图3分别显示了平直形翅片和锯齿形翅片换热器中距冷流体入¨ 7 mm处截面(垂直于长度方向)的速度场分布，可以清楚地看到流体在锯齿形翅片中的速度边界层比在平直形翅片中的速度边界层薄，说明了与平直形翅片相比，锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的作用．这里将流体速度达到入口处速度的99 处定义为边界层与主流区的分界处，本次汁算中，冷热流体的入口速度分为6．5 in·s一 和1．64 In·s一 ． 2．2 锯齿形翅片中流体沿流向的速度场和温度场分布 图4 (a)显示了锯齿形翅片中热通道中间截面(沿长度方向)的速度场分布，为了使速度场显示得更加清楚，只画了一个周期单元[如图1(d)所示]的速度场矢量图，从图中可以看到锯齿形翅片交错面对流体流场的影响．从图4 (b)可以看到交错排列的翅片使流体在流动方向上产生的热边界层不断被破坏，使得锯齿形翅片比平直形翅片拥有更好的换热效果． 2．3 两种翅片中流体沿流向的局部传热系数变化趋势 为了研究流体的局部传热系数在翅片中的变化情况，在长度方向上取一微元段为研究对象，则冷热流体经过微元段后的能量变化值分别等于它们与壁面的换热量，即 将FI UENT计算的结果带入，可以求得流体的局部传热系数h ． 从图5(a)可以看出冷热流体在入口附近的局部传热系数都相对较大，这是因为从入f1到层流充分发展段之间的区域内，流体的热边界层比较薄，因而有较高的局部传热系数；当层流充分发展后，由于边界层汇合到通道中心，流体的局部传热系数基本不变；在流体的出口处，由于壁面热流相对较大，流体的局部换热系数会增加．热流体的局部传热系数大于冷流体的局部传热系数， 这是因为热侧Reynolds数大于冷侧Reynolds数，而热侧Prandtl数接近于冷侧Prandtl数．从图5(b)可以看出流体的局部传热系数在相邻两排锯齿的交错面上出现突跃，这是因为流体受到翅片的扰动后边界层突然变薄，使流体在那里的换热突然增强． 比较图5(a)和图5(b)可以看到，相同情况下，锯齿形翅片的传热系数要大于平直形翅片的传热系数． 2．4 两种翅片中流体压力损失 为了便于观察冷热流体的沿程压力损失，在图中画出了流体相对其出口处的压力变化趋势．从图6(a)可以看到，冷热流体的压力变化基本是线性的，在入El处变化较大，冷热流体的总压损大约在250 Pa和75 Pa．从图6(b)可以看到，冷热流体的压力变化也呈现出锯齿状，在锯齿的交错面上流体的压力出现突降，这是因为翅片对流体的阻挡造成的． 冷热流体的压损大约为25 Pa和10 Pa，假设压力变化线性，可以得出整个锯齿翅片换热器的冷热流体压损为892．9 Pa和357．1 Pa，分别是平直翅片换热器的3．57倍和4．76倍． 2．5 计算结果和常用公式的比较 为了验证计算结果的正确性，根据日本神户制钢所(ALEX)提供的翅片性能曲线 ， 编制程序，将计算值与CFD模拟值进行对比，如表1所示． 可以看出CFD模拟的冷流体出口温度要高于ALEX性能曲线的计算值，热流体的出口温度要低于AI EX性能曲线的计算值，CFD模拟的压力损失和ALEX性能曲线的计算值基本相同． 3 结论 (1)本文将CFD技术运用到板翅式换热器的设计领域，通过合理简化，建立了平直形和锯齿形两种翅片类型的换热器通道模型，对微小通道中流体的流动与传热进行了数值分析． (2)比较了两种翅片中流体的边界层和局部传 热系数，从微观角度得出了锯齿形翅片高换热效率的根本原因，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据． |
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