基于有限元的典型換熱結(jié)構(gòu)比較研究

張澤昀，鐘 飛

（湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

換熱器是一種廣泛應(yīng)用在化工、動力、食品、藥業(yè)、輕工等工業(yè)領(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，在能源的有效利用上扮演了重要角色。換熱器的結(jié)構(gòu)會直接影響到能源利用率和能耗水平。因此，各國的學(xué)者們對換熱器結(jié)構(gòu)開展了大量的研究，并從中獲得了許多重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和模擬結(jié)果。在典型的換熱結(jié)構(gòu)中，換熱器中的球凸結(jié)構(gòu)已成為近年來比較熱門的研究課題，文獻(xiàn)[1-3]開展了球凸的直徑、深度、間距和排布對其性能影響的研究，其結(jié)果能為球凸幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本文圍繞換熱器結(jié)構(gòu)對性能的影響開展研究，其主要內(nèi)容是對整體尺寸相同，但是結(jié)構(gòu)不同的三種換熱器內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并從傳熱效率、流動阻力以及綜合傳熱系數(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了比較和分析。

1 計(jì)算模型的建立

本章主要研究不同結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器的熱學(xué)性能。為了減少尺寸參數(shù)對性能的影響，換熱器幾何模型的整體尺寸保持不變，即長度為100mm，寬為15mm，高度是12mm，壁厚1mm。邊界條件在不同換熱器的數(shù)值模擬過程中也保持同樣設(shè)置：換熱器內(nèi)部流體為空氣，入口邊界選擇velocity inlet，入口速度設(shè)置10m/s，入口溫度為300K，出口邊界條件為outflow，壁面溫度600K。激活能量方程，由于本研究屬于低雷諾數(shù)流動，采用標(biāo)準(zhǔn)RNGκ-ε模型的模擬結(jié)果最接近實(shí)際測量值，因此本文選擇RNGκ-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。不同結(jié)構(gòu)換熱器的數(shù)值模擬均在ANSYS中的ICEM模塊中進(jìn)行建模和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，并在FLUENT模塊中進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果分析

2.1 球凸結(jié)構(gòu)對換熱器性能的影響

本節(jié)主要對圓球形、橫向橢圓形和縱向橢圓形的三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）中球凸的半徑為2.5mm，高度為2.5mm，相鄰兩球心之間的距離為10mm；圖1（b）中縱向橢圓形球凸的長軸半徑為5mm，短軸半徑為2.5mm，相鄰兩球心之間的距離為10mm；圖1（c）中橫向橢圓形球凸的尺寸與縱向橢圓形球凸的尺寸完全一樣，相鄰兩球心的距離為16mm。

圖1 球凸換熱器的三種結(jié)構(gòu)

圖2（a）、（b）和（c）顯示的是三種球凸結(jié)構(gòu)換熱器的通道中截面溫度分布云圖，縱向橢圓形球凸的出口中心空氣溫度最高，其次是橫向橢圓形球凸，圓球形球凸的出口中心的空氣溫度最低。近壁面的溫度從高到低的排列順序是：縱向橢圓形球凸的最高，其次是圓球形球凸，橫向橢圓形球凸最低。這說明不同結(jié)構(gòu)的球凸對換熱器傳熱性能的影響較大，在縱向橢圓形球凸的布置方式下，同排兩個(gè)球凸之間的間距最小，空氣受到的沖擊更大，同時(shí)空氣與壁面的接觸面積也最大，兩者同時(shí)作用，造成這種結(jié)構(gòu)的傳熱效率最高；而在橫向橢圓形球凸的布置方式下，雖然同排兩個(gè)球凸之間的間距最大，對空氣的沖擊較小，但是空氣和壁面的接觸面積與圓球形球凸結(jié)構(gòu)相比更大，強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于圓球形球凸結(jié)構(gòu)。

圖2 三種球凸結(jié)構(gòu)換熱器的溫度分布云圖

綜合上述分析，不同球凸對換熱器內(nèi)部流體的傳熱有明顯的影響。而縱向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)的傳熱性能都明顯優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu)，可以作為球凸結(jié)構(gòu)下，實(shí)際應(yīng)用中的首選方案。

2.2 綜合性能比較

換熱器的進(jìn)出口溫度差和速度變化分別可以直觀地表征其傳熱和阻力性能，而綜合評價(jià)指標(biāo)PEC則用來評估換熱器的綜合特性，其表達(dá)式為：

式中，Nu表示換熱器的努塞爾數(shù)，Nu0表示無凸起光管的努塞爾數(shù)；f和f0分別表示換熱器和無凸起光管的阻力系數(shù)。以上三種結(jié)構(gòu)換熱器的努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)與PEC值分別列入表1中。PEC值從大到小的排列依次是：縱向橢圓形球凸，圓球形球凸結(jié)構(gòu)，30°傾角三角結(jié)構(gòu)，15°傾角三角結(jié)構(gòu)和橫向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。

表1 不同模型的進(jìn)出口溫度差、阻力系數(shù)和PEC

對這一現(xiàn)象的解釋如下：不同結(jié)構(gòu)下，凸起部分使得通道收縮，流體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)速度增大，靜壓力下降。經(jīng)過凸起之后通道擴(kuò)張，流體速度減小，靜壓力上升，并通過速度的改變發(fā)生流體分離和再混合，并產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)，沖擊近壁面的流體邊界層，提高綜合性能。凸起的高度越大，其綜合性能就越強(qiáng)。

3 結(jié)論

本文以數(shù)值模擬的方式，主要研究了三種不同結(jié)構(gòu)對換熱器通道內(nèi)空氣的流動和換熱性能的影響。主要結(jié)論如下：縱向橢圓形球凸的強(qiáng)化換熱效果最好，其次是圓球形球凸，橫向橢圓形球凸的效果最差。通道中的空氣在縱向橢圓形球凸的出口中心速度最大，并且能觀察到明顯的渦旋結(jié)構(gòu)；而橫向橢圓形結(jié)構(gòu)的出口中心速度最小。三種結(jié)構(gòu)的綜合評價(jià)指標(biāo)PEC值從大到小的排列依次是：縱向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)，圓球形球凸結(jié)構(gòu)，橫向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。本文的研究結(jié)果能對選擇和優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。