人字形板式换热器双流道模型的温度场数值模拟

摘　要：应用数值计算软件fluent对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟,模拟采用双流道形式,冷、热流体分别从上、下两个流道进入换热器进行热量交换,分别得出了冷、热流体的各自通道的温度分布,结合前人的研究结果,给出了人字形板式换热器的传热数据,从而使人字形板式换热器在传热参数上得到优化。研究表明,温度场在平行于进口速度方向上,温度梯度变化明显,层次较为清楚;在垂直进口速度方向上,温度梯度变化较平行时要低,层次不明显。

人字形板式换热器是具有人字形波纹的一种换热器,板片错落摆放形成人字形,流体通过流道时,由原来的规则流变成交叉流再变成曲折流,能使流体在较低雷诺数下形成湍流[1, 2],从而提高换热器的换热效率。另外,板片的凹凸增加了其刚性,而且板片上、下波纹相叠加,使该板式换热器具有较高的承压能力。
有关板式换热器温度场的数值模拟研究,众多文献广泛采用的是单通道和模型简化的形式,然后通过相关化工手册中的已知条件对模型边界条件进行加载,只能得到流体单流场的温度场以及此流体所在流道的温度分布,并不能研究冷、热流体的相互影响,从而得不到冷、热流体的温度场,使模拟的形态与事实相差较大,数值模拟的结果与实验的结果发生偏差。就目前而言,研究板式换热器温度场模拟,完整模型的建立是对复杂问题全面模拟的一个必要前提,也是为以后处理温差应力因温度变化而产生破坏的必要条件。为此,笔者采用化工流体计算软件fluent对人字形板式换热器进行数值模拟,模拟由3块换热板片组成两个流道,分别流入冷、热两种流体,中间板片通过对流及热传导等形式进行换热,从而得出此换热器的温度场。
1　结构模型
实验采用人字形板片,其结构如图1所示,波纹板片相互倒置后叠放在一起,上下成人字形的波纹,从而形成周期性变化的通道,流体流过此通道时呈不规则的流动形态,即形成交叉流及曲折流等湍流强度较高的流体形态。

如图1所示, 3块换热板片形成了上、下两通道,分别流经冷流体和热流体,由于存在温度差,热流体将热量经过中间板片传递给冷流体的同时,受到上、下板片所形成的人字形的扰动,从而形成曲折流,在较低雷诺数(Re≈23~400)就能发生湍流,同时由于实验模型可有多种样式,采集数据量大,因而采用数值模拟形式具有很大的优越性。
2　创建分析模型
模型的初步创建是由三维制图软件solid-works完成的,以实体为保存形式,以parasolid格式为输出格式,然后将生成的文件导入前处理软件gambit。在gambit中做相应的修改,使相关的点成线,相关的线成面,相关的面成体,最后将模型生成两个实体,这两个实体分别代表冷流体和热流体的流域。
生成的人字形板式换热器结构模型如图2所示,模型参数为板片间距P=10mm,波高H=5mm,波纹倾角β=35°,计算区域大小为800mm×500mm。经网格精度测试,采用三角体网格,网格大小为2mm,网格划分如图3所示。

3　边界条件的选定
根据本文的要求,边界条件定义如下:
a.入口边界条件。在实际操作中,换热器入口流速是比其他条件容易得到的,故使用速度入口条件,入口速度大小为10m/s,温度设为900K。
b.出口边界条件。出口边界采用压力出口设置,经多方测试,采用充分发展的温度边界条件。
c.壁面设置为非滑移的静止壁面[3],即flu-ent默认的wal,l把壳体所在的壁面设置为绝热边界,壁面厚度为0. 0007