错列翅片板翅式换热器速度场的数值模拟

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇错列翅片板翅式换热器速度场的数值模拟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】 由于错列翅片板翅式换热器的传热性能在很大程度上与内部流体的流速有关，本文采用ANSYS软件中的CFD模块，对换热器内流体的速度场进行数值模拟。定性地研究了在不同的翅片尺寸和不同的流动方式下，流体流速及其压降的变化，为错列翅片板翅式换热器的结构设计提供了有力依据。

【关键词】 错列翅片板翅式换热器 有限元 数值模拟 速度场

错列翅片板翅式换热器是一种新型的换热设备，它具有结构紧凑、传热效率高、轻巧而牢固、适应性强、经济性好等优点，现已在包括船舶行业的许多行业取得了广泛应用。其中，流体的通道被冲制成凸凹不平，增加了流体的湍动程度，使传热边界层不断被破坏，在低雷诺数范围内也呈现类似湍流的特性，从而有效降低了热阻，提高了传热效率。其翅片结构如图1所示。

由于翅片是主要的传热表面，大部分热量经过翅片，通过隔板传到了冷流体。因此，改变翅片结构对流体的流速及传热有着至关重要的影响。对无相变的换热，当热负荷一定时，流速越高，换热系数越大，换热面积减少，这不仅节约材料，而且可使设备紧凑，不容易结垢；但另一方面，流速增大，压降增大，泵功率随之增大，且极易冲蚀换热面。理论计算表明，压降增大的速率远远大于换热系数增加的速率。故应在压降允许的条件下，尽量提高流速，以增强传热[1]。

如今，多种通用大型计算软件如CFD2000、PHOENICS、ANSYS等已经商品化，使复杂的流场分析得以实现。考虑错列翅片板翅式换热器复杂的内部结构，本文利用ANSYS软件对其内部流体的速度场进行求解[2]，从中发现流速与压降的关系，并分析了不同的翅片尺寸、不同的流动方式对流速及压降的影响，为换热器的结构设计及选型提供了重要依据。

1 2D模型分析

1.1 模型的建立及简化处理

流体流动的过程要遵循质量守恒、动量守恒，这些规律由偏微分方程表示，最后还要采用有限元法对这些方程进行离散化。其控制微分方程为：

二维模型的剖切面取端面梯形的中位线位置，如图2所示。沿A-A面将整个翅片剖开，取截面作为研究对象。

另作如下近似处理：

（1）将整个翅片的外形尺寸按面积转化成当量矩形（沿流体流动方向，宽度不变，长度近似调整）；

（2）取整个矩形面积的1/16作为研究对象；

（3）为分析方便，Z形流动及H形流动均采用同一模型分析，流体流动方向及部分物理模型见图3。

经简化后，H形流动时，入口段宽度为原模型总宽度的1/4，流程为总流程的1/4；Z形流动时，入口段宽度为原模型总宽度的1/2，其流程为总流程的1/8。

1.2 划分网格及施加边界条件

网格划分。

对模型采用自由网格划分。

边界条件的处理。

（1）速度边界条件：

（2）流体物性参数：

（3）压力参数：

指定出口相对压力为0。

同时将流体看作是稳态不可压缩的，Z形流动取层流分析，H形流动取湍流分析。

1.3 结果后处理及分析

通过改变不同的切片宽度（图4中的L值），来定性地研究其对流速及压降的影响。分析如下：

（1）在模型速度矢量图上，求得最大速度及其所在节点，并对不同模型进行比较；

（2）由于出口压力指定的是相对压力，将进口节点压力取平均值，可近似求得整个模型的平均压降；

（3）将模型的所有节点提取速度值，并求其平方和，可近似对流体动能进行比较，由此推知其传热性能的好坏。

求解后，获得如下节点数据（限于篇幅及直观性，在此仅列出其数据值）：

对不同的切片宽度，速度场分布规律相似，仅在数值上有所差异。Z形及H形流动的局部速度场如图5及图6所示。

依上图可知，H形流动时，每个翅片后均形成漩涡。这主要是由于流体粘性作用，流动的前半部分流速不断增加，而在后半部分，由于粘性摩擦使流体微团失去部分能量，导致微团速度降低直至速度等于零，再开始反向运动，运动方向不同的流体相遇后又相互碰撞、扭转从而形成漩涡[3]。其形成有利于增强传热；Z形流动时，在流动方向上，由于每一翅片受后两排翅片的影响，当两翅片间距较大时，流速相对均匀。间距较小时，扰动加强，有利于传热，但伴随着阻力的增加。

根据不同L值的节点数据，我们不难发现，Z形流动，前后压差较小，但流体动能也相对较低，传热差；H形流动，流体动能高，传热好，但压差较大。在对压降要求不高的情况下，可选择H 形流动以加强换热。此外，随着L值的减小，Z形流动换热器的平均压差增大；而H形流动的平均压差随L值的减小而减小。这是因为Z形流动时，L值越小，越有利于破坏传热边界层，使热阻降低，但压力增加，H形流动则恰恰相反。

2 3D模型的建立及前景展望

对错列翅片板翅式换热器整体进行三维流场分析是非常巨大的工程，由于计算机资源及其他条件的限制，本文取换热器的局部翅片进行了三维模拟，建模单位：mm，速度单位：mm/s，边界条件与二维模型相同。通过三维模型，我们可以更进一步发现速度的分布规律，同时与二维模型进行比较。为了直观，取切面速度显示，如图7和图8，箭头所示为流动方向。

依图可知，其流速分布与二维建模时基本一致，前面已作分析，在此不再赘述。

目前，基于错列翅片板翅式换热器的分析，大多停留在二维模型的简化处理上。由于其复杂的内部结构，二维建模只能作定性分析，结果与真实情况出入较大。在这方面，三维建模明显更具有真实性。随着计算机的高速发展，我们有理由相信，对错列翅片板翅式换热器整体进行三维分析不再是空想。

3 结语

（1）错列翅片板翅式换热器速度场的模拟分析结果表明，其增强换热效果的同时，也增大了流动阻力；

（2）切开长度（L值）对压降的影响并非线形变化，Z型流动随着切开长度的减小，压力梯度增大，而H型流动，随着切开长度的增加，压力梯度增大；

（3）通过ANSYS软件所特有的后处理技术，方便地比较了不同L值对流速及压降的影响，为换热器的结构设计提供了一定的理论依据。

（4）对未来错列翅片板翅式换热器的分析进行了展望。

参考文献：

[1]程林，杨培毅，陆煜.换热器运行导论.科学出版社，1995.

[2]李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程.中国铁道出版社，2003.1.

[3]杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）.高等教育出版社，1998.