板翅式换热器翅片表面性能的三维数值模拟

点击：1934 日期：[ 2014-04-26 22:32:00 ]

板翅式换热器由于其传热效率高、结构紧凑、轻巧、适用性广等特点，在石油化工、空气分离、航空航天、制冷空调等领域得到越来越广泛的应用。板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于翅片的表面特性，因此翅片的表面特性数据是准确设计板翅式换热器的基础⋯ 。美国斯坦福大学的Kays和London_2 曾对紧凑式换热器表面进行了较系统的实验研究，提供了40多种翅片形状的板翅式翅片的传热和阻力曲线图。而计算流体动力学 (CFD)方法的应用与发展使得许多流体和传热工程实际问题不再局限于漫长而复杂的实验研究。国外Patankar和Spalding教授最先应用数值模拟的方法进行管壳式换热器的研究工作。Sha和Yang等人采用多孔介质模型对液态金属换热器和蒸汽发生器进行了模拟计算 J。Jinn—yuh Jiang等人采用三维数值模拟方法研究了翅片管换热器的流动与传热性能。国内张站、侯海焱等人采用二维数值模拟方法研究了锯齿翅片紧凑式换热器表面特性 ’ 由于板翅式换热器的流道结构复杂，其三维数值模拟研究未见报道。笔者以3种常见的翅片表面(平直翅片、锯齿翅片、波纹翅片)为研究对象，利用标准k一占双方程湍流模型求解三维Navier—Stokes方程，模拟和分析板翅式换热器单通道不同结构参数和操作参数对翅片表面传热与流动阻力的影响。数值计算方法 1．控制方程连续方程(质量守恒方程)、动量方程、能量方程和组分方程(或称扩散方程)统一形式为 7J ( )+div(pu~b+ )=5巾式中p——流体密度； — — 速度矢量； div ——速度场的散度；西— — 通用形式应变量；．，。_一输运通量； 5— — 源项。对于 =1， =0，S =0，上式就是连续方程；而对于表示，无或m ，上式就分别代表动量、能量或组分平衡方程。对于稳态不可压缩单组分流动，上式中西变量对时间的偏导为零。 2．边界条件由于板翅式换热器的心体是由若干冷、热流体通道钎焊叠置而成的，内部结构复杂，同时考虑由不同形式和规格翅片组成的不同通道排列方式和流动形式的心部传热与流动特性，不仅需要合理的几何简化模型和计算模型，而且还需要足够的计算机硬件条件和计算时间。因此，笔者取板翅式换热器的基本结构为研究对象进行建模、计算，即分析了由翅片、隔板、封条组成的单个通道内部的传热与流动特性。翅片类型包括平直翅片、锯齿翅片和波纹翅片。采用控制容积法对计算区域作离散化处理，k一双方程模型考虑湍流对流动与传热的影响。采用分离变量法隐式求解，保证收敛的稳定性；压力和速度耦合采用SIMPLE算法。质量和能量计算残差控制在l0 数量级。流体介质为稳态不可压缩的空气。 (1)进口条件：给定流体速度、温度及相应的湍流条件。 (2)出口条件：给定压力及适当的回流温度。 (3)固壁条件：上下隔板与翅片，给定壁面温度和厚度；两侧封条为绝热边界。的基本结构为研究对象进行建模、计算，即分析了由翅片、隔板、封条组成的单个通道内部的传热与流动特性。翅片类型包括平直翅片、锯齿翅片和波纹翅片。采用控制容积法对计算区域作离散化处理，k一双方程模型考虑湍流对流动与传热的影响。采用分离变量法隐式求解，保证收敛的稳定性；压力和速度耦合采用SIMPLE算法。质量和能量计算残差控制在l0 数量级。流体介质为稳态不可压缩的空气。 (1)进口条件：给定流体速度、温度及相应的湍流条件。 (2)出口条件：给定压力及适当的回流温度。 (3)固壁条件：上下隔板与翅片，给定壁面温度和厚度；两侧封条为绝热界。

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