淺談板式換熱器性能的數(shù)值模擬

王二龍

摘要：文章通過研究三角形凸臺全傳接板式換熱器的換熱性能及阻力性能探究了板式換熱器性能的數(shù)值模擬方法，文章具有一定的實(shí)用性和參考價值。

關(guān)鍵詞：板式；換熱器；數(shù)值模擬

板式換熱器已經(jīng)成為了各行業(yè)最重要的換熱元件之一，其性能要求相對較高。為了進(jìn)一步對其研究，有必要從數(shù)值模擬方面入手探究其性能的高效性與可靠性。

1 換熱器的數(shù)值計算模型

1.1 物理模型

文中用于計算分析的模型為某三角形凸臺板式換熱器的一部分主換熱區(qū)。為了對不同凸臺傾角及間距幾何參數(shù)所具有的換熱性能與阻力性能的影響，其換熱板片參數(shù)的設(shè)置情況如下表。

1.2 數(shù)學(xué)模型

為了進(jìn)行數(shù)字模擬現(xiàn)對該模型做以下基本假設(shè)：

（1）文中涉及的流體介質(zhì)均為連續(xù)介質(zhì)，為此，文中采用無滑移的NavierStokes（NS）方程對流場進(jìn)行求解；

（2）文中所模擬的流動均為定常流動，計算時不計重力與浮升力；

（3）文中介質(zhì)所進(jìn)行的流動均屬于低速流動，流體流動因?yàn)檎承宰饔卯a(chǎn)生的耗散熱效應(yīng)都忽略不計；

（4）因?yàn)槲闹兴婕暗牧黧w流速都偏低，而且流體介質(zhì)都屬于不可壓縮粘性流體，因此，可以不計壓力以及溫度給流體介質(zhì)比熱容及其粘性系數(shù)所產(chǎn)生的影響，基于以上分析，可以把通道中的流體介質(zhì)設(shè)置為常物性；

（5）計算時，將入口流量在各層流面中的不均勻分布忽略，為此，文中認(rèn)為進(jìn)口來流均勾。

計算保證能量、動量以及質(zhì)量守恒，式1、式2、式3為計算控制方程。

uxx+uyy+uzz=0（1）

uxuix+uyuiy+uzuiz=-1ρρxi+v2uix2+2uiy2+2uiz2（2）

uxtx+uyty+u2tz=a2tx2+2ty2+2tz2（3）

以上三式中，ux、uy、uz、ui：分別為x、y、z、i方向的流動速度分量，V為運(yùn)動粘度，t為時間。

2 邊界條件

在進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中，介質(zhì)的入口邊界設(shè)置為：速度進(jìn)口，其進(jìn)口溫度設(shè)置為：350K。進(jìn)口邊界的湍流狀態(tài)則通過設(shè)定湍動能以及湍動能耗散率進(jìn)行確定。對于出口而言，其邊界條件設(shè)置為：壓力出口，其中，選定的壓力值為一個大氣壓。壁面溫度恒定，速度無滑移。

3 仿真與結(jié)果分析

本文計算采用三維穩(wěn)態(tài)進(jìn)行模擬，采用分離隱式進(jìn)行計算求解。模擬選用SIMPLEC算法，對于湍流參數(shù)、動量以及能量的求解均選用二階迎風(fēng)差分格式。從圖中不難看出，三角形凸臺板式換熱器內(nèi)的介質(zhì)的流動變化規(guī)律和人字形波紋板換熱器內(nèi)的流動規(guī)律雷同各傾角下都會發(fā)生 “十字交叉流”向“曲折流”的轉(zhuǎn)變。

下圖為不同間距下三角形凸臺板片中流道的速度場矢量圖。從圖中不難看出，板間流動主要呈現(xiàn)“十字交叉流”狀態(tài)，同時也存在小部分的“曲折流”。

（a）b=10.5mm（b）b=15mm

（c）b=20mm（d）b=25mm

（e）b=30mm

不同間距下三角形凸臺板片中流道的速度場矢量圖

4 結(jié)語

采用數(shù)值模擬手段對板式換熱器性能的研究意義重大，其必將成為換熱器發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)：

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