CFD 技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要: 回顧了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 幾年來(lái)的發(fā)展現(xiàn)狀, 并且介紹了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域、CFD 軟件的一般結(jié)構(gòu)以及各種商業(yè)軟件的特點(diǎn), 同時(shí)闡明了CFD 技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計(jì)應(yīng)用方面的優(yōu)越性, 并指出了我國(guó)在CFD 技術(shù)研究領(lǐng)域與國(guó)際先進(jìn)水平的差距及進(jìn)一步開(kāi)展CFD 研究的方向。
　　關(guān)鍵詞: CFD 技術(shù) 板翅式換熱器 研究 應(yīng)用
　　1 引言
　　CFD (Compu tat ional F lu id Dynam ics, 即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué), 簡(jiǎn)稱CFD [ 1 ] ) 是目前國(guó)際上一個(gè)強(qiáng)有力的研究領(lǐng)域, 是進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù), 廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計(jì)、汽車(chē)設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、HAVC&R 等諸多工程領(lǐng)域, 板翅式換熱器設(shè)計(jì)是CFD 技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。
　　CFD 在最近20 年中得到飛速的發(fā)展, 除了計(jì)算機(jī)硬件工業(yè)的發(fā)展給它提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)外, 還主要因?yàn)闊o(wú)論分析的方法或?qū)嶒?yàn)的方法都有較大的限制, 例如由于問(wèn)題的復(fù)雜性, 既無(wú)法作分析解, 也因費(fèi)用昂貴而無(wú)力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模擬較復(fù)雜或較理想的過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)一定考核的CFD 軟件可以拓寬實(shí)驗(yàn)研究的范圍, 減少成本昂貴的實(shí)驗(yàn)工作量。在給定的參數(shù)下用計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行一次數(shù)值模擬相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)值實(shí)驗(yàn), 歷史上也曾有過(guò)首先由CFD 數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象而后由實(shí)驗(yàn)予以證實(shí)的例子。CFD 軟件一般都能推出多種優(yōu)化的物理模型[ 2 ] , 如定常和非定常流動(dòng)、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動(dòng)、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等等。對(duì)每一種物理問(wèn)題的流動(dòng)特點(diǎn), 都有適合它的數(shù)值解法, 用戶可對(duì)顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇, 以期在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳。CFD 軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換, 并采用統(tǒng)一的前、后處理工具, 這就省卻了科研工作者在計(jì)算機(jī)方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動(dòng), 而可以將主要精力和智慧用于物理問(wèn)題本身的探索上。
2 CFD 技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)越性
    板翅式換熱器是一種高效、緊湊式換熱器, 隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展, 其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展, 目前廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨等工業(yè)領(lǐng)域[ 3 ] , 其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、便于多股流布置、小溫差和大溫降換熱。傳統(tǒng)的板翅式換熱器設(shè)計(jì)一般僅依靠簡(jiǎn)單的理論及實(shí)驗(yàn)分析來(lái)確定板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式, 但是這需要大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)以及很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)周期, 而且這樣得到的結(jié)構(gòu)形式并不能確保為最佳的方案, 傳統(tǒng)的板翅式換熱器設(shè)計(jì)流程[ 4 ]如圖1。

    從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖中可以看到在傳統(tǒng)的板翅式換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)可行與否往往取決于試驗(yàn), 為保證性能穩(wěn)定, 就不得不進(jìn)行大量試驗(yàn), 而且產(chǎn)品方案的篩選和優(yōu)化是在設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試部門(mén)之間進(jìn)行大循環(huán), 由于牽涉的環(huán)節(jié)多, 產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高; 對(duì)工程設(shè)計(jì)而言, 往往需要進(jìn)行方案選擇、優(yōu)化, 但是由于板翅式換熱器內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱規(guī)律是十分復(fù)雜的[ 5 ] , 僅靠實(shí)驗(yàn)測(cè)試并不能最終達(dá)到開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和精確設(shè)計(jì)的目的。
    從上面所述不難看出, 完全通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究不能很好的達(dá)到板翅式換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。因此, 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)加強(qiáng)了設(shè)計(jì)制造方法學(xué)的研究, 提出通過(guò)“數(shù)值試驗(yàn)”——計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 模擬計(jì)算, 來(lái)評(píng)價(jià)、選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案, 從而大幅度地減少實(shí)驗(yàn)室和實(shí)體試驗(yàn)研究工作量[ 6 ] , 而且獲得的結(jié)果直觀、快捷。
    CFD 設(shè)計(jì)流程圖表明換熱器的設(shè)計(jì)方案可以僅通過(guò)CFD 計(jì)算結(jié)果就可以進(jìn)行評(píng)估,并且由于CFD 軟件可以比較快捷、準(zhǔn)確及直觀的反映出流體在換熱器中流動(dòng)的過(guò)程, 如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)的分布, 因此很容易從對(duì)流場(chǎng)的分析中發(fā)現(xiàn)樣品設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題, 及時(shí)的反饋并進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的改進(jìn), 從而避免了浪費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。而實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)H起到驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的目的, 大大減少了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。
    板翅式換熱器的CFD 優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在滿足用戶性能要求的前提下, 具有最小的投資費(fèi)用和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括翅型選擇、流通布置、流體均布、溫度場(chǎng)分布和縱向熱傳導(dǎo)的考慮等等。在設(shè)計(jì)中, 以局部熱平衡偏差、允許阻力值、流道計(jì)算長(zhǎng)度偏差為主要控制指標(biāo), 進(jìn)行流通排列分配, 使設(shè)計(jì)更趨合理, 對(duì)流體間溫差小、溫降大的低溫?zé)釗Q器更為重要。因此,CFD 技術(shù)在板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)了無(wú)比的優(yōu)越性, 是一個(gè)很大的飛躍, 對(duì)今后板翅式換熱器的研制具有深遠(yuǎn)的影響。
3 CFD 軟件的總體介紹
3. 1 CFD 軟件的一般結(jié)構(gòu)
    CFD 軟件的一般結(jié)構(gòu)由前處理、求解器、后處理三部分組成, 如圖3 所示。
    前處理、求解器及后處理三大模塊, 各有其獨(dú)特的作用, 分別表示如下:
一般結(jié)構(gòu)
前處理
a. 幾何模型
b. 劃分網(wǎng)格
求解器
a. 確定CFD 方法的控制方程
b. 選擇離散方法進(jìn)行離散
c. 選用數(shù)值計(jì)算方法
d. 輸入相關(guān)參數(shù)
后處理
速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及其它參數(shù)的計(jì)算機(jī)可視化及動(dòng)畫(huà)處理
3. 2 商業(yè)軟件介紹
    自從1981 年英國(guó)CHAM 公司首先推出求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商業(yè)軟件PHO EN ICS以來(lái), 迅速在國(guó)際軟件產(chǎn)業(yè)中形成了通稱為CFD 軟件的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。到今天, 全世界至少已有50 余種這樣的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的商業(yè)軟件, 在促進(jìn)CFD 技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際中起了很大的作用。下面介紹當(dāng)今世界上應(yīng)用較廣的CFD 商業(yè)軟件。
(1) CFX
    該軟件采用有限容積法、拼片式塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò), 在非正交曲線坐標(biāo)(適體坐標(biāo)) 系上進(jìn)行離散, 變量的布置采用同位網(wǎng)格方式。對(duì)流項(xiàng)的離散格式包括一階迎風(fēng)、混合格式、QU ICK、COND IF、MU SC I 及高階迎風(fēng)格式。壓力與速度的耦合關(guān)系采用S IM PL E 系列算法(S IM 2PL EC) , 代數(shù)方程求解的方法中包括線迭代、代數(shù)多重網(wǎng)絡(luò)、ICCG、STON E 強(qiáng)隱方法及塊隱式(B IM )。軟件可計(jì)算不可壓縮及可壓縮流動(dòng)、耦合傳熱問(wèn)題、多相流、化學(xué)反應(yīng)、氣體燃燒等問(wèn)題。
(2) F IDA P
    這是英語(yǔ)F lu id Dynam icsA nalysis Package 的縮寫(xiě), 系于1983 年由美國(guó)F lu id Dynam2ics In ternat ional Inc. 推出, 是世界上第一個(gè)使用有限元法(FEM ) 的CFD 軟件。可以接受如I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成網(wǎng)格的軟件所產(chǎn)生的網(wǎng)格。該軟件可以計(jì)算可壓縮及不可壓縮流、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動(dòng)問(wèn)題。
(3) FLU EN T
    這一軟件由美國(guó)FLU EN T Inc. 于1983 年推出, 是繼PHO EN ICS 軟件之后的第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限容積法的軟件。它包含有結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩個(gè)版本。在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格版本中有適體坐標(biāo)的前處理軟件, 同時(shí)也可以納入I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成網(wǎng)格的軟件所產(chǎn)生的網(wǎng)格。速度與壓力耦合采用同位網(wǎng)格上的S IM 2PL EC 算法。對(duì)流項(xiàng)差分格式納入了一階迎風(fēng)、中心差分及QU ICK 等格式。軟件能計(jì)算可壓縮及不可壓縮流動(dòng)、含有粒子的蒸發(fā)、燃燒過(guò)程、多組分介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等問(wèn)題。
(4) PHO EN ICS
    這是世界上第一個(gè)投放市場(chǎng)的CFD 商業(yè)軟件, 可以算是CFD 商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法, 如S IM PL E 方法、混合格式等, 正是由該軟件創(chuàng)始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出的, 對(duì)以后開(kāi)發(fā)的商業(yè)軟件有較大的影響。近年來(lái), PHO EN ICS 軟件在功能上與方法方面做了較大的改進(jìn), 包括納入拼片式多網(wǎng)格及細(xì)密網(wǎng)格嵌入技術(shù), 同位網(wǎng)格及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù); 在湍流模型方面開(kāi)發(fā)了通用的零方程、低Reyno lds k- E模型、RN G k- E模型等。應(yīng)用這一軟件可計(jì)算大量的實(shí)際工作問(wèn)題, 其中包括: 城市污染預(yù)測(cè)、葉輪中的流動(dòng)、管道流動(dòng)。
(5) STAR- CD
    這一軟件名稱是英語(yǔ)Sim u lat ion of Tu rbu len t F low in A rb it rary Region 的縮寫(xiě), 連字符后的CD 是開(kāi)發(fā)商Compu tat ionalDynam ics L td 的簡(jiǎn)稱。這是基于有限容積法的一個(gè)通用軟件。在網(wǎng)格生成方面, 采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 單元的形態(tài)可以有六面體、四面體、三角形截面的棱柱體、金字塔形的錐體及六種形狀的其它多面體。應(yīng)用這一軟件可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)、牛頓流及非牛頓流體的流動(dòng)、多孔介質(zhì)中的流動(dòng)、亞音速及超音速流動(dòng), 并且這一軟件在世界汽車(chē)工業(yè)中應(yīng)用的十分廣泛。
4 我國(guó)板翅式換熱器CFD 研究的發(fā)展方向
    自1993 年西歐共同體解除了PHO EN ICS 商業(yè)軟件對(duì)中國(guó)的禁運(yùn), 我國(guó)各高校及研究所陸續(xù)引進(jìn)各種CFD 商業(yè)軟件并且對(duì)CFD 技術(shù)在板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究已取得了很大的進(jìn)步, 其中西安交通大學(xué)制冷系率先從國(guó)外引進(jìn)CFD 商業(yè)軟件并且結(jié)合數(shù)值計(jì)算理論知識(shí)對(duì)軟件加以完善。經(jīng)過(guò)多年不斷努力, 已成功的將CFD 技術(shù)應(yīng)用到板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、渦輪葉片設(shè)計(jì)、制冷低溫等多方面領(lǐng)域, 但是由于起步晚的原因, 我國(guó)CFD 技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距。我國(guó)CFD 技術(shù)在板翅式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究方面還有大量工作要做, 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: (1) 繼續(xù)加強(qiáng)前處理幾何模型建立的功能; (2) 繼續(xù)加強(qiáng)復(fù)雜形面網(wǎng)格劃分的技術(shù); (3) 繼續(xù)加強(qiáng)數(shù)值求解理論算法的改進(jìn); (4)繼續(xù)加強(qiáng)計(jì)算結(jié)果可視化技術(shù); (5) 繼續(xù)加強(qiáng)CFD 軟件在解決板翅式換熱器內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)與換熱的功能。
5 結(jié)論
    綜上所述, CFD 技術(shù)有著極其廣泛的應(yīng)用前景, 對(duì)我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)和社會(huì)的持續(xù)發(fā)展有著不可忽視的影響。21 世紀(jì)的CFD 技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)發(fā)展的深化和繼續(xù), 隨著CFD 技術(shù)在板翅式換熱器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用, 對(duì)其進(jìn)行的研究與工程實(shí)際需求還相差較遠(yuǎn), 還需將理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、CFD 數(shù)值模擬三者緊密的結(jié)合起來(lái)以相互補(bǔ)充, 這是研究板翅式換熱器問(wèn)題的理想而有效的手段?？梢灶A(yù)期, 隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)和數(shù)值方法的進(jìn)一步發(fā)展, CFD 技術(shù)將會(huì)發(fā)揮其越來(lái)越大的作用。