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CFD技术在平直和锯齿形板翅式换热器中的运用

点击:949 日期:[ 2014-04-26 22:32:17 ]
    摘要:传统的板翅式换热器设计一般是依靠简单的流动与传热理论分析来设计其结构形式,有周期长、投资大和研究结构有限的缺点。而通过计算流体力学(CFD)模拟计算可以在获得直观结果的同时大幅度地减少试验工作量。本文针对平直形和锯齿形两种不同翅片,通过对模型的合理简化,建立了翅片的物理模型,利用 CFD 软件 FLUENT 进行了模拟。计算得到了平直翅片和锯齿形片翅中流体的流场分布和传热特性,给出了两种情况下的局部换热系数和压力损失曲线。利用本文建立的模型,只需在计算时改变流体的材料和边界条件,就可以得到不同工质在不同工况时的换热情况。研究结果可以用于翅片结构的优化,为换热器设计提供指导。   关键词  CFD模拟  板翅式换热器  优化设计 前言      板翅式换热器由于其传结构紧凑、换热效率高、适用性广等特点,在空气分离、石油化工、航空航天、制冷空调等领域得到越来越广泛的应用[1]。由于板翅式换热器结构的复杂性,对其CFD模拟的研究较少。通过对板翅式换热器的封头结构和导流片进行了 CFD 模拟,提出了封头结构的改进方法[2]和研究了导流片的最佳导流角度[3]。Osamu Tonomura[4]等人对平板式换热器进行了CFD 模拟,对换热器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板翅式换热器的换热性能进行了比较,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,都采用逆流单叠布置,冷热流体工质都为氦气。平直形翅片结构尺寸见图 1a,换热器长度为 500 mm;对于锯齿形翅片(如图 1b 所示),由于换热器的结构非常复杂,要用 CFD 软件模拟整个换热器的流动和传热是不现实的,所以本文做了如下简化假设:假设冷热通道的翅片宽度相同且排列一致,同时在流动方向上冷热通道翅片的锯齿长度和排列一致,则根据流动与传热的周期性,在换热器垂直截面和长度方向上分别计算如图1c和1d的二个截面进行计算。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 14 mm(即 4 个周期单元)的翅片进行了模拟计算。 1.2 控制方程组    在本文的计算中,工质氦气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:    式中:p为密度,kg/m3;p 为压强,Pa;μ为动力粘度,kg/(m·s);T 为温度,K;a 为热扩散率,m2/s。 1.3 网格的划分    采用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 生成计算网格。为了准确的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。平直形翅片计算长度 500mm,网格单元数为 600657 个。锯齿形翅片的计算长度为 14 mm,网格单元数为 1038104 个。 1.4 边界条件和收敛的判断   ①、冷流体的入口边界为条件是单位面积质量流量为 2.0kg/(m2·s),入口温度为 30 K,入口压强为 100 KPa;热流体入口边界为条件是单位面积质量流量为4.65 kg/(m2·s),入口温度为 300 K,入口压强为 800K Pa。在模拟锯齿形翅片时,由于模拟的长度为从冷流体入口起 14mm,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 K。冷热流体的出口采用压力出口边界;   ②、模型上下左右四个面采用轴对称边界;   ③、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; 冷热流体的入口雷诺数(Re)分别为 400 和 800,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,当连续性方程、动量方程和能量方程中变量的残差均不发生变化时,认为计算收敛。
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