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板翅式换热器入口流场的模拟及实验研究点击：1803 日期：[ 2014-04-26 22:21:15 ] |
| 板翅式换热器入口流场的模拟及实验研究 文键 厉彦忠 周爱民 马岩松 （西安交通大学制冷低温研究所 陕西西安 ７１００４９） 摘要：利用ＰＩＶ粒子图像测速仪和ＣＦＤ数值模拟的方法，对板翅式换热器入口结构改进前后的流场进行了研究，发现其内部流场的流动与分布规律。由于原始入口结构的不合理导致漩涡、回流等现象存在，使得其内部的物流分配极不均匀。而对于添加了打孔挡板的改进型结构，物流分配的均匀性有了很大改善。实验结果和数值计算结果吻合良好，不仅验证了计算模型的正确性，而且证明ＰＩＶ技术适合于研究复杂的流动结构。 关键词：板翅式换热器；ＰＩＶ；数值模拟；结构优化 中图分类号：ＴＫ１２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５９９５４（２００６）０８００２４０４ 板翅式换热器被广泛应用于石油化工、空气分离等工业领域，具有结构紧凑、传热效率高、便于通道布置等特点。引起该类换热器整体效能下降的主要因素是内部物流分配不均匀。其中换热器入口结构（封头）不合理是引起其内部物流分配不均匀的重要因素［１］。本文在数值模拟的基础上，提出在原始封头瓜皮结构的中间添加打孔挡板，来提高物流分配的均匀性［２］。 粒子图像测速技术（ＰＩＶ）是一种测量瞬态流场的流动测量技术，它通过在流体中撒播示踪粒子，并根据图像处理技术分析粒子图像的位移而得到空间多点的速度矢量。非接触、高精度、整场测量是ＰＩＶ区别于其他流动测量手段的最大优点［３］。虽然ＰＩＶ技术已经应用于很多工程领域中的流场测量中，但目前国内外还没有将其应用于换热器内部流场的分析测量。因此本文用ＰＩＶ技术来研究板翅式换热器入口的流场分布特性，分析封头结构对换热器物流分配特性的影响规律。用实验与计算模拟相结合的分析方法，探讨内部流场分布规律，寻求最佳入口结构型式，优化板翅式换热器入口结构，改善其物流分配特性。 １ 实验系统 １．１ 实验系统简介 整个实验系统由风路系统和ＰＩＶ系统所组成。在风路系统中，采用风机上游供气方式，利用孔板流量计测量流量。实验中采用美国ＴＳＩ公司生产的二维ＰＩＶ测试系统，其组成有激光光源、图像采集器、同步控制仪和图像数据分析系统等部分。本实验采用Ｒｏｓｃｏ１６００粒子发生器，安置在风机的入口处，使粒子和气流一同进入风路系统，在管道中混合均匀后再进入封头进行测试，以避免在中间投放粒子时对气流产生影响。 １．２ 实验模型的制作 实验试件均采用有机玻璃按照与原型１∶１的比例制作，保证该模型能够尽可能精确地反映原型的性能。改进型封头的结构［２］，即在原始封头瓜皮结构的１／２高度处，添加一块打孔挡板。挡板上的孔径分别为小孔φ１０ｍｍ，中孔φ２０ｍｍ和大孔φ３０ｍｍ３种，由中轴线到周边逐渐增大，且呈错排分布。 １．３ 观测截面的选取 为了保证ＣＣＤ相机的测量分辨率，实验选取封头半圆截面的一半即１／４圆为观测视场。实验选取封头长度的一半，从封头中轴线到周边，依次测量了１１个截面。本文仅选取如图１所示的２个具有代表性的截面分析其流场分布情况。截面１处于封头的中轴线上且正对入口管，截面２偏离入口管。 图1所测截面示意 ２ 计算模型的建立 采用ＧＡＭＢＩＴ软件建立封头结构的几何模型，用混合网格对几何结构进行网格划分。原始封头的网格数为２４５８１７，改进型封头的物理模型比原始封头复杂，其网格数为２４８８６２。采用ｋε湍流模型进行计算，连续性方程、动量方程、ｋ方程和ε方程见文献［４］。边界条件如下：①入口条件 给定进口Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数和进口扰动强度系数；②出口条件 出口截面背压通过实际测量确定；③壁面条件 四周的墙体绝热，无速度滑移；④收敛条件 其残差绝对值小于１０－６。在模拟计算中，改进型封头参数的设定与原始封头基本一致，但压差和湍流耗散项等参数的设定比原始封头大。 ３ 数值模拟与实验结果的分析对比 ３．１ 原始封头 图２所示的截面１处于封头的中轴线上，正对入口管来流。图２（ａ）和图２（ｂ）分别为ＣＦＤ数值模拟和ＰＩＶ实验所得结果。由于封头模型的入口管管壁较厚（８ｍｍ）且为弧形，不适合ＰＩＶ观测，所以实验所得此截面的观测区域较之数值模拟偏小。从图中可以看出，在ｙ方向正对入口管的地方，流速较大，上游流线平行流向出口。而偏离入口管的地方，主要依靠上游的流体分流而来，且形成明显的漩涡，流体在此处因为回流形成一个死区，导致在ｙ方向上，物流分配不均匀。主要是由于流体边界形状的突然扩大，流动状态随之发生急剧的改变，主流脱离边壁从而形成漩涡。 图３所示的截面２偏离入口管，随着截面与入口管距离的增大，小旋涡逐渐增大成为大尺度漩涡并向四周扩散，沿流向拉伸明显。可见，在封头内部这部分流体主要依靠流体的漩涡运动扩散而来。 由以上的结果分析可得，对于原始封头，内部物流分配主要依靠流体形成的漩涡流场，利用出口截面上的横向压力梯度进行分配。因此，入口管附近的地方流量大，而远离入口管的周边截面流量偏小。不仅物流分配不均匀，而且，流体形成的漩涡会引起较大的能量损失。所以，需要对此封头进行改进，使得其出口截面物流均匀分配。 ３．２ 改进型封头 流体到达孔板处有２种情况，一种是刚好到达打孔处，经小孔流出；另一种是到达孔板壁处，流动被阻碍。根据Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程，压力升高，形成一个横向的压力梯度，导致流体向周边流动，最后从其他小孔处流出，使得流体在到达封头的出口之前，就已经均匀分配。 图４的截面１正对入口管的截面，与结构改进前相比，在ｙ方向上物流分配均匀，流体的死区消失。中间正对入口管的出口截面和没有添加挡板相比，流速明显降低，而偏离入口管的出口截面，流速明显增大。这是因为，孔板正中的小孔直径最小，对来流产生的阻力最大，导致了一个横向的压力梯度，迫使来流向四周分布，而边上的小孔孔径比较大，使得分流来的流体顺利通过。而且，与结构改进之前相比，孔板前来流的漩涡消失。 图５的截面２偏离入口管，流体在挡板前面形成一个较大的漩涡，通过挡板之后的流体分布均匀。此截面部分的流体主要依靠挡板分流过来，而且流体经过挡板上小孔分流作用之后，在ｙ方向上流体分布均匀。 ３．３ 数值计算结果与实验结果的对比分析 通过前面的对比分析得出，数值模拟和ＰＩＶ实验所得的速度矢量和流线分布情况基本一致。测量与计算之间的误差主要是由于数值模拟中物理模型和数学模型的简化假设，计算边界条件的简化处理造成，但是这些误差不影响对板翅式换热器入口结构改进前后内部流场分布情况的定性对比研究。 为了对封头内部物流分配的不均匀性进行对比分析，借用统计学中的方差理论，引入不均匀系数Ｓ的概念［２］。对于原始封头，不均匀系数的计算值和实验值分别为１．１２４和１．２１０。而对于孔板型封头，其计算值和实验值分别为０．１２６和０．２０９。可见，对于改进型封头，由于中间通道流速明显降低，使得两侧周边通道的流速明显提高，从而使得整体物流分配的均匀性有了很大提高。 ４ 结论 （１）建立了封头结构的几何及数学模型，对封头结构改进前后的流场分布情况进行了数值计算。计算与实验结果吻合，验证了数学模型的正确性和计算结果的可靠性。 （２）从模拟和实验结果可以得出，对于改进型封头，不仅在入口结构长度方向上，而且在所测截面的ｙ方向，物流分配的均匀性明显提高。 （３）挡板结构简单，成本低廉，安装简单方便，但其改进效果非常明显。这对于板翅式换热器的优化设计具有重要意义。 |
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