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张哲 厉彦忠 田津津
摘要: 回顾了计算流体动力学(CFD) 几年来的发展现状, 并且介绍了计算流体动力学(CFD) 技术应用的领域、CFD 软件的一般结构以及各种商业软件的特点, 同时阐明了CFD 技术在板翅式换热器设计应用方面的优越性, 并指出了我国在CFD 技术研究领域与国际先进水平的差距及进一步开展CFD 研究的方向。
关键词: CFD 技术 板翅式换热器 研究 应用
1 引言
CFD (Compu tat ional F lu id Dynam ics, 即计算流体动力学, 简称CFD [ 1 ] ) 是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域, 板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。
CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型[ 2 ] , 如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具, 这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
2 CFD 技术在板翅式换热器设计开发方面的优越性
板翅式换热器是一种高效、紧凑式换热器, 随着加工工艺技术的发展, 其应用范围不断扩展, 目前广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨等工业领域[ 3 ] , 其突出优点是结构紧凑、便于多股流布置、小温差和大温降换热。传统的板翅式换热器设计一般仅依靠简单的理论及实验分析来确定板翅式换热器的结构形式, 但是这需要大量的实验经费以及很长的实验周期, 而且这样得到的结构形式并不能确保为最佳的方案, 传统的板翅式换热器设计流程[ 4 ]如图1。
从传统设计流程图中可以看到在传统的板翅式换热器设计过程中,设计可行与否往往取决于试验, 为保证性能稳定, 就不得不进行大量试验, 而且产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环, 由于牵涉的环节多, 产品的开发周期长、费用高; 对工程设计而言, 往往需要进行方案选择、优化, 但是由于板翅式换热器内流体流动与传热规律是十分复杂的[ 5 ] , 仅靠实验测试并不能最终达到开发新产品和精确设计的目的。
从上面所述不难看出, 完全通过传统实验研究不能很好的达到板翅式换热器优化设计的目的。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“数值试验”——计算流体力学(CFD) 模拟计算, 来评价、选择和优化设计方案, 从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量[ 6 ] , 而且获得的结果直观、快捷。
CFD 设计流程图表明换热器的设计方案可以仅通过CFD 计算结果就可以进行评估,并且由于CFD 软件可以比较快捷、准确及直观的反映出流体在换热器中流动的过程, 如速度场、压力场、温度场或浓度场的分布, 因此很容易从对流场的分析中发现样品设计中存在的问题, 及时的反馈并进行设计方案的改进, 从而避免了浪费大量的人力、物力和时间。而实验测量仅起到验证计算结果的目的, 大大减少了时间和经费。
板翅式换热器的CFD 优化设计可以在满足用户性能要求的前提下, 具有最小的投资费用和运转费用。优化设计包括翅型选择、流通布置、流体均布、温度场分布和纵向热传导的考虑等等。在设计中, 以局部热平衡偏差、允许阻力值、流道计算长度偏差为主要控制指标, 进行流通排列分配, 使设计更趋合理, 对流体间温差小、温降大的低温热换器更为重要。因此,CFD 技术在板翅式换热器的优化设计方面体现了无比的优越性, 是一个很大的飞跃, 对今后板翅式换热器的研制具有深远的影响。
3 CFD 软件的总体介绍
3. 1 CFD 软件的一般结构
CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成, 如图3 所示。
前处理、求解器及后处理三大模块, 各有其独特的作用, 分别表示如下:
一般结构
前处理
a. 几何模型
b. 划分网格
求解器
a. 确定CFD 方法的控制方程
b. 选择离散方法进行离散
c. 选用数值计算方法
d. 输入相关参数
后处理
速度场、温度场、压力场及其它参数的计算机可视化及动画处理
3. 2 商业软件介绍
自从1981 年英国CHAM 公司首先推出求解流动与传热问题的商业软件PHO EN ICS以来, 迅速在国际软件产业中形成了通称为CFD 软件的产业市场。到今天, 全世界至少已有50 余种这样的流动与传热问题的商业软件, 在促进CFD 技术应用于工业实际中起了很大的作用。下面介绍当今世界上应用较广的CFD 商业软件。
(1) CFX
该软件采用有限容积法、拼片式块结构化网络, 在非正交曲线坐标(适体坐标) 系上进行离散, 变量的布置采用同位网格方式。对流项的离散格式包括一阶迎风、混合格式、QU ICK、COND IF、MU SC I 及高阶迎风格式。压力与速度的耦合关系采用S IM PL E 系列算法(S IM 2PL EC) , 代数方程求解的方法中包括线迭代、代数多重网络、ICCG、STON E 强隐方法及块隐式(B IM )。软件可计算不可压缩及可压缩流动、耦合传热问题、多相流、化学反应、气体燃烧等问题。
(2) F IDA P
这是英语F lu id Dynam icsA nalysis Package 的缩写, 系于1983 年由美国F lu id Dynam2ics In ternat ional Inc. 推出, 是世界上第一个使用有限元法(FEM ) 的CFD 软件。可以接受如I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。该软件可以计算可压缩及不可压缩流、层流与湍流、单相与两相流、牛顿流体及非牛顿流体的流动问题。
(3) FLU EN T
这一软件由美国FLU EN T Inc. 于1983 年推出, 是继PHO EN ICS 软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含有结构化及非结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件, 同时也可以纳入I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成网格的软件所产生的网格。速度与压力耦合采用同位网格上的S IM 2PL EC 算法。对流项差分格式纳入了一阶迎风、中心差分及QU ICK 等格式。软件能计算可压缩及不可压缩流动、含有粒子的蒸发、燃烧过程、多组分介质的化学反应过程等问题。
(4) PHO EN ICS
这是世界上第一个投放市场的CFD 商业软件, 可以算是CFD 商用软件的鼻祖。这一软件中所采用的一些基本算法, 如S IM PL E 方法、混合格式等, 正是由该软件创始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出的, 对以后开发的商业软件有较大的影响。近年来, PHO EN ICS 软件在功能上与方法方面做了较大的改进, 包括纳入拼片式多网格及细密网格嵌入技术, 同位网格及非结构化网格技术; 在湍流模型方面开发了通用的零方程、低Reyno lds k- E模型、RN G k- E模型等。应用这一软件可计算大量的实际工作问题, 其中包括: 城市污染预测、叶轮中的流动、管道流动。
(5) STAR- CD
这一软件名称是英语Sim u lat ion of Tu rbu len t F low in A rb it rary Region 的缩写, 连字符后的CD 是开发商Compu tat ionalDynam ics L td 的简称。这是基于有限容积法的一个通用软件。在网格生成方面, 采用非结构化网格, 单元的形态可以有六面体、四面体、三角形截面的棱柱体、金字塔形的锥体及六种形状的其它多面体。应用这一软件可以计算稳态与非稳态流动、牛顿流及非牛顿流体的流动、多孔介质中的流动、亚音速及超音速流动, 并且这一软件在世界汽车工业中应用的十分广泛。
4 我国板翅式换热器CFD 研究的发展方向
自1993 年西欧共同体解除了PHO EN ICS 商业软件对中国的禁运, 我国各高校及研究所陆续引进各种CFD 商业软件并且对CFD 技术在板翅式换热器的优化设计应用的研究已取得了很大的进步, 其中西安交通大学制冷系率先从国外引进CFD 商业软件并且结合数值计算理论知识对软件加以完善。经过多年不断努力, 已成功的将CFD 技术应用到板翅式换热器的优化设计、涡轮叶片设计、制冷低温等多方面领域, 但是由于起步晚的原因, 我国CFD 技术与发达国家还有很大的差距。我国CFD 技术在板翅式换热器的优化设计应用的研究方面还有大量工作要做, 主要表现在以下几个方面: (1) 继续加强前处理几何模型建立的功能; (2) 继续加强复杂形面网格划分的技术; (3) 继续加强数值求解理论算法的改进; (4)继续加强计算结果可视化技术; (5) 继续加强CFD 软件在解决板翅式换热器内部复杂流动与换热的功能。
5 结论
综上所述, CFD 技术有着极其广泛的应用前景, 对我国的现代化建设和社会的持续发展有着不可忽视的影响。21 世纪的CFD 技术是现代计算流体动力学发展的深化和继续, 随着CFD 技术在板翅式换热器设计开发中越来越广泛的应用, 对其进行的研究与工程实际需求还相差较远, 还需将理论分析、实验研究、CFD 数值模拟三者紧密的结合起来以相互补充, 这是研究板翅式换热器问题的理想而有效的手段。可以预期, 随着计算机工业和数值方法的进一步发展, CFD 技术将会发挥其越来越大的作用。
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