基于FLUENT的水冷多管頭冷卻器的數(shù)值模擬

蔡容　鄭秀云

摘要：建立水冷多管頭冷卻器的三維模型的物理與數(shù)學(xué)模型，利用Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，對冷卻器進(jìn)行數(shù)值模擬研究。經(jīng)分析知模擬結(jié)果與實際情況較吻合，此方法為水冷多管頭冷卻器的設(shè)計及優(yōu)化提供了理論參考和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水冷多管頭冷卻器;Fluent;流場;溫度場;數(shù)值模擬

中圖分類號：TB65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0016-01

0 引言

冷卻器是屬于換熱器的一種，而水冷多管頭冷卻器是電力及液壓系統(tǒng)中普遍使用的一種冷卻器，同時也適用于冶金、化工、礦山、輕工及重工等企業(yè)[1]。利用該冷卻器可使具有一定溫差的兩種介質(zhì)實現(xiàn)熱交換，從而達(dá)到降低溫度，使設(shè)備正常運行。

水冷多管頭冷卻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及外部參數(shù)的選取對于換熱效率有著比較重大的影響，本文利用軟件Fluent對冷卻器內(nèi)液體流場和溫度場的分布進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為水冷多管頭冷卻器的設(shè)計及優(yōu)化提供了理論參考，具有較大的理論和現(xiàn)實意義。

1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

水冷多管頭冷卻器主要由殼體和冷卻管組成，按照裝置的真實尺寸，用PROE來建立三維立體模型，將PROE的模型以.x_t的格式保存并導(dǎo)入GAMBIT里，通過布爾運算將冷卻器內(nèi)的個體分割出來，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2-3]。在軟件PROE中建立的實體模型，必須在將模型導(dǎo)入GAMBIT后，劃分網(wǎng)格之前，對于模型進(jìn)行預(yù)處理，修改一些結(jié)構(gòu)上的小缺陷[4]。冷卻管區(qū)域采用Hex/wedge單元，cooper非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分;殼體用Tet/Hybrid單元中的TGrid混合網(wǎng)格來劃分網(wǎng)格;進(jìn)、出管口采用Hex/wedge單元，cooper非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。整體網(wǎng)格模型如圖1所示。

2 數(shù)值方法

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行模擬分析，本文采用整體解法將固體區(qū)域和液體區(qū)域的傳熱組合起來，將冷卻器外壁與外部空氣的對流、冷卻器內(nèi)冷熱介質(zhì)的對流作為一個統(tǒng)一的問題同時進(jìn)行求解。

本計算中選用標(biāo)準(zhǔn)模型，為了簡化問題，在數(shù)值模擬過程中，采用以下流動換熱模型：冷卻器內(nèi)液體流動為穩(wěn)態(tài)、湍流，且沒有自定義的源項;忽略固體壁面間的熱輻射。選擇有限體積法離散控制方程，采用QUICK格式和中心差分格式分別作為對流項和擴(kuò)散項的離散格式，流場計算使用SIMPLE算法，能量方程和動量方程用二階迎風(fēng)格式離散，使用默認(rèn)的松弛因子進(jìn)行迭代計算直到最終收斂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 初始結(jié)構(gòu)分析

設(shè)置相應(yīng)的冷水和熱油進(jìn)口邊界條件：速度和溫度，得出如圖1所示的數(shù)值模擬結(jié)果，其中溫度分布于速度分布情況如圖2（a）所示，油液進(jìn)口溫度為320k，出口的溫度有了明顯的降低，溫度為312k，經(jīng)過冷卻器的冷卻后，油液溫度明顯降低。而冷卻水的溫度在進(jìn)口處為300k，出口處為302k，溫度有稍許提高。

由圖2（b）速度場分布可以看出在冷卻水進(jìn)口處速度沖擊較大，流動較為劇烈，管路內(nèi)部流動平穩(wěn)，出口處速度有稍許增加。在油液區(qū)域速度基本一致，速度較小，流動平緩。

3.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析

水冷多管頭冷卻器主要由殼體、冷卻管，進(jìn)出管口等結(jié)構(gòu)組成的。為了讓冷卻效果更好，可以通過增設(shè)隔板來解決。增加隔板后，重新建立模型，各自分析不同數(shù)量的隔板時的溫度場（其余條件保持不變），如圖3所示。從圖中可以明顯觀察到隨著隔板個數(shù)的增加，冷卻效果更好。在隔板的存在下，在每塊隔板后都會出現(xiàn)一定的溫降，隔板數(shù)越多，溫降越明顯。主要原因是因為油液在水管外部流動時，它的行進(jìn)路線加長，從而增加了散熱效果。

本節(jié)主要是對水冷多管頭冷卻器內(nèi)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部參數(shù)變化進(jìn)行分析，從而為冷卻器的設(shè)計優(yōu)化提供依據(jù)。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，在冷卻器內(nèi)添加隔板，冷卻效果明顯。

4 結(jié)語

本文利用Fluent軟件，選用標(biāo)準(zhǔn)兩方程模型以及壁面函數(shù)法，基于整體分析并求解水冷多管頭冷卻器處于穩(wěn)態(tài)條件下的溫度場和速度場。限于網(wǎng)格生成的難度，本文做了部分簡化，因而影響了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，但從計算結(jié)果來看，溫度分布與速度分布比較符合實際情況。此外，水冷多管頭冷卻器的流場和溫度場大多受到自身結(jié)構(gòu)的影響，所以可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)來改變冷卻器的性能。通過在冷卻器內(nèi)部添加隔板，可以大幅度的提升冷卻效果，從而為以后冷卻器的設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 王福軍.CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[4] 于勇.fluent入門進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008.

Numerical Simulation of Water-cooled Multi-head Cooler Based on FLUENT

CAI Rong， ZHENG Xiu-yun

（City College， Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei? 430083）

Abstract：The physical and mathematical models of the three-dimensional model of water-cooled multi-head cooler are established. The numerical simulation of the cooler is carried out by using Fluent software and standard turbulence model. The analysis shows that the simulation results are in good agreement with the actual situation. This method provides a theoretical reference and scientific basis for the design and optimization of water-cooled multi-head cooler.

Key words：water-cooled multi-head cooler;Fluent;flow distribution;temperature field;numerical simulation