CFD技術(shù)在平直和鋸齒形板翅式換熱器設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

前言
　　板翅式換熱器由于其傳結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、適用性廣等特點(diǎn)，在空氣分離、石油化工、航空航天、制冷空調(diào)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用［１］。由于板翅式換熱器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對其ＣＦＤ模擬的研究較少。通過對板翅式換熱器的封頭結(jié)構(gòu)和導(dǎo)流片進(jìn)行了ＣＦＤ模擬，提出了封頭結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法［２］和研究了導(dǎo)流片的最佳導(dǎo)流角度［３］。Ｏｓａｍｕ?。裕铮睿铮恚酰颍幔郏矗荨〉热藢ζ桨迨綋Q熱器進(jìn)行了ＣＦＤ 模擬，對換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文對平直形和鋸齒形兩種翅片形式的板翅式換熱器的微通道進(jìn)行了 ＣＦＤ 模擬，得到了流體在通道中流動與傳熱的特性，并對兩種翅片結(jié)構(gòu)的板翅式換熱器的換熱性能進(jìn)行了比較，為板翅式換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。
　　１　物理模型和求解
　?。保?nbsp;物理模型及簡化
                     
　　圖 １ 為板翅式換熱器兩種翅片的結(jié)構(gòu)示意圖，都采用逆流單疊布置，冷熱流體工質(zhì)都為氦氣。平直形翅片結(jié)構(gòu)尺寸見圖 １ａ，換熱器長度為 ５００?。恚?；對于鋸齒形翅片（如圖 １ｂ 所示），由于換熱器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，要用 ＣＦＤ 軟件模擬整個(gè)換熱器的流動和傳熱是不現(xiàn)實(shí)的，所以本文做了如下簡化假設(shè)：假設(shè)冷熱通道的翅片寬度相同且排列一致，同時(shí)在流動方向上冷熱通道翅片的鋸齒長度和排列一致，則根據(jù)流動與傳熱的周期性，在換熱器垂直截面和長度方向上分別計(jì)算如圖１ｃ和１ｄ的二個(gè)截面進(jìn)行計(jì)算。為了使計(jì)算能夠進(jìn)行，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果能反映鋸齒形翅片換熱器的真實(shí)特性，本文對 １４?。恚恚?nbsp;４ 個(gè)周期單元）的翅片進(jìn)行了模擬計(jì)算。
    １．２　控制方程組
     在本文的計(jì)算中，工質(zhì)氦氣為常物性不可壓縮流體，描述其流動與傳熱的控制方程如下【５：】
                  
   式中：為密度，ｋｇ／ｍ３；ｐ 為壓強(qiáng)，Ｐａ；μ為動力粘度，ｋｇ／（ｍ·ｓ）；Ｔ 為溫度，Ｋ；ａ 為熱擴(kuò)散率，ｍ２／ｓ。
    １．３網(wǎng)格的劃分
     采用 ＦＬＵＥＮＴ 的前處理軟件 ＧＡＭＢＩＴ 生成計(jì)算網(wǎng)格。為了準(zhǔn)確的模擬出微小通道內(nèi)的流動和傳熱，同時(shí)又要控制網(wǎng)格的數(shù)目，采用給壁面加邊界層和局部加密網(wǎng)格兩種方法。平直形翅片計(jì)算長度 ５００ｍｍ，網(wǎng)格單元數(shù)為 ６００６５７ 個(gè)。鋸齒形翅片的計(jì)算長度為 １４?。恚?，網(wǎng)格單元數(shù)為 １０３８１０４ 個(gè)。
    １．４　邊界條件和收斂的判斷
   ?、?、冷流體的入口邊界為條件是單位面積質(zhì)量流量為 ２．０ｋｇ／（ｍ２·ｓ），入口溫度為 ３０　Ｋ，入口壓強(qiáng)為 １００　ＫＰａ；熱流體入口邊界為條件是單位面積質(zhì)量流量為４．６５?。耄纾ǎ恚病ぃ螅肟跍囟葹?nbsp;３００Ｋ，入口壓強(qiáng)為 ８００Ｋ?。校?。在模擬鋸齒形翅片時(shí)，由于模擬的長度為從冷流體入口起 １４ｍｍ，為了使計(jì)算的結(jié)果能和平直形翅片作比較，其熱流體的入口溫度設(shè)為 ７４?。恕＠錈崃黧w的出口采用壓力出口邊界；
    ②、模型上下左右四個(gè)面采用軸對稱邊界；
    ③、流體工質(zhì)、翅片和隔板的兩兩相交面采用壁面邊界的耦合類型；冷熱流體的入口雷諾數(shù)（Ｒｅ）分別為 ４００ 和 ８００，算法采用ＦＬＵＥＮＴ 中的三維定常層流的分離解算器。在求解過程中，當(dāng)連續(xù)性方程、動量方程和能量方程中變量的殘差均不發(fā)生變化時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。
    ２　計(jì)算結(jié)果與分析
    ２．１ 流體速度邊界層分布
   圖２分別顯示了平直形翅片和鋸齒形翅片換熱器中距冷流體入口 ７ｍｍ處截面的速度場分布。將流體速度達(dá)到入口處速度的９９％處定義為邊界層與主流區(qū)的分界處，本次計(jì)算中，冷熱流體的入口速度分別為６．５ｍ／ｓ和１．６４?。恚?。可以清楚地看到流體在鋸齒形翅片中的速度邊界層比在平直形翅片中的速度邊界層薄，說明了與平直形翅片相比，鋸齒形翅片對增加流體擾動、破壞邊界層具有明顯的作用。
                       
    ２．２　鋸齒形翅片的溫度場和速度場分布
   圖３ａ顯示了鋸齒形翅片中熱通道中間截面處的溫度場分布，可以看到交錯排列的翅片使流體在流動方向上產(chǎn)生的熱邊界層總是不斷被破壞，使得鋸齒形翅片比平直形翅片擁有更好的換熱效果。圖３ｂ顯示了的中間截面處的速度矢量分布，從圖中可以看到流體接近翅片時(shí)出現(xiàn)的分流，和流體離開翅片時(shí)在翅片尾部產(chǎn)生的微小旋渦。
               
    ２．３ 局部換熱系數(shù)和壓力的變化趨勢
    從圖 ４ａ 中可以看出冷熱流體的換熱系數(shù)都是
    隨著溫度的增加而增加（熱流體沿Ｚ軸正方向流動，冷流體相反），這說明流體的局部換熱系數(shù)受溫度的
   影響；冷熱流體在入口附近的局部換熱系數(shù)都相對較大，這是因?yàn)閺娜肟诘綄恿鞒浞职l(fā)展段之間的區(qū)域內(nèi)，流體的熱邊界層比較薄，因而有較高的局部換熱系數(shù)。熱流體的局部換熱系數(shù)大約是冷流體局部換熱系數(shù)的兩倍，這是因?yàn)闊崃黧w的Ｒｅ數(shù)大約為冷流體Ｒｅ的兩倍。從圖４ｂ中可以看出流體的局部換熱系數(shù)在相鄰兩排鋸齒的交錯面上出現(xiàn)突躍，這是因?yàn)榱黧w受到翅片的擾動后邊界層突然變薄，使流體在那里的換熱突然增強(qiáng)。比較圖４ａ和圖 ４ｂ可以看到，相同情況下，鋸齒形翅片的換熱系數(shù)要大于平直形翅片的換熱系數(shù)。從圖５ａ中可以看到冷熱流體的壓力變化基本是線性的，在入口處變化較大，冷熱流體的總壓損大約在 ２５０Ｐａ和 ７５Ｐａ。從圖 ５ｂ中可以看到冷熱流體的壓力變化也呈現(xiàn)出鋸齒狀，在鋸齒的交錯面上流體的壓力出現(xiàn)突降，這是因?yàn)槌崞瑢α黧w的阻擋造成的，冷熱流體的壓損大約為 ２５Ｐａ和 １０Ｐａ。
                       
                       
    ３　結(jié)論
    本文將 ＣＦＤ技術(shù)運(yùn)用到板翅式換熱器的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過合理簡化，建立了平直形和鋸齒形兩種翅片類型的換熱器通道模型，對微小通道中流體的流動與傳熱進(jìn)行了數(shù)值分析，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，比較了兩種翅片中流體的邊界層、局部換熱系數(shù)和壓力損失，從微觀角度得出了鋸齒形翅片高換熱效率的根本原因，為板翅式換熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。