（制冷及低温工程专业论文）板翅式风冷吸收器数值模拟研究.pdf

摘要 板翅式风冷吸收器数值模拟研究 施晨洁 导师：陈亚平教授 东南大学 摘要 由于夏季空调用电紧张而燃气相对富余。加上太阳能制冷空调技术的发展， 以及节能和环保的要求，吸收式制冷机需要得到越来越多的应用。传统的溴化锂 吸收式制冷机采用管壳式换热器，体积大，金属耗量多，通常采用水冷的方式就 要求安置冷却水塔，而这对于小型制冷系统就显得较复杂。本文提出了风冷板型 溴化锂吸收式制冷机的设想。板型换热器由于它紧凑性的优点，因此制冷机的体 积小，金属耗量少，制造成本较低。而对制冷机的冷凝器和吸收器采用风冷，就 可省去冷却塔及相关辅助设备，有利于将其推广到别墅和民用住宅中。 本文在这样的背景下，对溴化锂制冷机的主要部件吸收器进行性能研究。研 究对象选取锯齿形的板翅式换热器，冷却方式为风冷，对风侧和溶液侧分别进行 了数值模拟。 对于风侧，采用计算流体力学软件f l u e n t 建立模型并计算，主要着眼于 风侧翅片的几何参数和空气状态参数的变化对换热性能的影响，并得到了相关的 速度场和温度场等。 对于溶液侧的模拟，引入了降膜反转的概念，对锯齿形翅片强化降膜吸收过 程的机理进行了解释，并通过对其传热传质过程的模拟，得到了反转次数对吸收 过程的影响。 对板型溴化锂制冷机的板翅式吸收器采用风冷的方式，本文的研究工作为这 个方案的可行性提供了理论依据，虽然风冷的效果不如水冷，但结果分析显示吸 收器的性能在可接受的范围内。同时，本文也为后续研究提供了理论参考。 关键词：风冷，锯齿形翅片，溴化锂吸收，降膜，膜反转 a b s 仃a c t s u t d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o r a i rc 0 0 l i n gp l a t e f i na b s o r b e r s h ic h e n - j i e d i r e c t o r ：c h e ny a - p i n g a b s t r a c t b e c a u s eo ft i g h te l e c t r i c i t ys u p p l ya n dr e l a t i v e l yp l e n t i f u lg a ss u p p l y i ns u m m e r , a l s ot h ed e v e l o p m e n to fs o l a r - a i rc o n d i t i o n i n g ，a sw e l la st h e e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t ，t h el i b r a b s o r p t i o nc h i l l e r sn e e dt ob ee v e nw i d e l yu s e d t r a d i t i o n a ll i b r a b s o r p t i o nc h i l l e r sa r em a d eu po ft u b e s h e l lh e a te x c h a n g e r s ，w h i c ha r e v o l u m i n o u sa n dm e t a lc o n s u m p t i v e c o o l i n gt o w e ri su s u a l l yn e c e s s a r y f o rt h ec h i l l e rb e c a u s ei tu t i l i z e st h ec o o l i n gw a t e r , t h u sm a d et h es m a l l s i z ea i r c o n d i t i o n i n gs y s t e mc o m p l i c a t e d i nt h i sp a p e rp l a t eh e a t e x c h a n g e r s a r ei n t r o d u c e dw i t h a i r - c o o l i n gi n t h el i - b ra b s o r p t i o n c h i l l e r s ，w h i c hi sc o m p a c t ，m e t a ls a v i n g ，a n dl o wc o s t i na d d i t i o n ， c o o l i n gt o w e ra n dc o r r e l a t i v ea u x i l i a r yf a c i l i t i e sa r en o tr e q u i r e df o rt h e a i r c o o l i n ga b s o r b e r i nt h i st h e s i s ，s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ea b s o r b e r , w h i c hi st h e m a i nc o m p o n e n to fl i b rc h i l l e r , h a sb e e na c c o m p l i s h e d t h ea i r - c o o l i n g o f f s e tf i ni np l a t e - f i nh e a te x c h a n g e ri st h er e s e a r c ho b j e c ta n d r e s p e c t i v e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp e r f o r m e di nb o t ha i r s i d ea n dl i b rs o l u t i o ns i d e i i f o ra i r s i d e ，t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e f l u e n ti su s e d t h ee f f e c t so fg e o m e t r ys h a p eo ft h ef i na n da i r p a r a m e t e r so nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ea r en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d ，a n d r e l a t i v ef l o wa n d t e m p e r a t u r ef i e l d sa r ep r e s e n t e d f o rl i b rs o l u t i o ns i d e ，t h ec o n c e p to ff i l m - i n v e r t i n gi si n t r o d u c e d a n dt h em e c h a n i s mo fe n h a n c e m e n to nf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o np r o c e s si s s t u d i e d t h ee f f e c to ft h en u m b e ro ff i l m i n v e r t i n go na b s o r p t i o np r o c e s s a r ed i s c u s s e d t h et h e o r yb a s i so ft h e f e a s i b i l i t yo ft h ea i rc o o l i n gp l a t e f i n a b s o r p t i o ni nt h ep l a t el i b rc h i l l e r sa r ep r o v i d e di nt h i st h e s i s i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ee f f e c to fa i r c o o l i n ga b s o r b e ri sa c c e p t a b l ee v e n t h o u g hi ti sn o ta sg o o da st h ew a t e rc o o l i n go n e t h ew o r kt h a th a sb e e n d o n eh e r ep r e s e n t ss o m ev a l u a b l er e s u l t sf o r t h ef u t u r er e s e a r c h k e yw o r d s ：a i rc o o l i n g ；o f f s e tf i n ；l i - b r a b s o r p t i o n ，f a l l i n gf i l m ， f i l m i n v e r t i n g i i i 主要符号袁 翅片高度 波纹半节距 锯齿半节距 x 轴向速度风量 y 轴向速度分量 温度 换热系数 液膜厚度 密度 广义扩散系数 质量流量 通用变量 壁匦参数 入口参数 出口参数 空气参数 平均值 张量分量 主要符号表 雷诺数 湍流动能 耗散率 压力降 粘性系数 导热系数 定压比热容 溶液浓度 质量扩散系数 压力 扳长 ， f 胎 i 出 z 0 c 巩 n ， ， s l “ v n 岱 占 p r g 西 标 。 蒯w m 蓉 。 m 渺 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：猩凄导师签名： 妒百z 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 随着社会经济的发展，夏季空调所消耗的用电量占总电量的比例逐年攀升，部分地区已 出现电力供应紧张的局面。消耗电能的传统压缩式制冷方式使我国以煤为主的能源结构造成 的环境污染日趋严重，c o ：排放量已位居世界第二，此外还加剧了化石能源的枯竭。在这种 情况下，溴化锂吸收式制冷系统以其能量转换效率较高，技术成熟和能够利用燃气、工业余 热和太阳能等非电资源制冷空调的特点越来越受到人们的重视。“西气东输”工程的实施， 为吸收式制冷机的发展提供了良好的机遇。因此，对于溴化锂吸收式制冷机开展更充分研究 具有重要的现实意义。 传统的溴化锂吸收式制冷机组各部件采用管壳式换热器，它的缺点是占用空间大、金属 耗量大，导致成本高、现场安装难度和费用高。而用户总是希望在满足其它性能的条件下， 溴冷机组的体积和重量越小越好，以减少机房的面积和建筑费用。对于寸土寸金的商业楼房 更是希望空调机组能够安装在楼房的顶层、地下室或中间层这就对机组的紧凑性提出了很 高的要求。在竞争激烈的溴化锂制冷机销售市场，紧凑性已成为反映厂家技术水平高低的主 要指标，成为厂家间相互竞争、争夺市场份额的主要手段之一。管壳式换热器固有的结构特 点决定了在目前已经采用了强化传热管的基础上很难再有重大突破，因此将目光转向被称为 紧凑型换热器的板型换热器，以期能减少金属耗量，降低制冷机的成本。溴冷机的紧凑设计 和小型化也有利于将其推广到别墅和民用住宅中。 近年来小型户式中央空调得到较大的发展，它更能根据用户的实际需求运行，体现节能 的意愿。但目前市场还是以压缩式制冷机为主导，而燃气型户式中央空调在市场上并未得到 广泛认同。从技术经济性方面来看，制约这种推广的因素有很多，比如系统的效率，设备的 价格等等，其中很重要的一个问题是由于水冷引起的复杂性。由于溴化锂制冷机组不仅有冷 凝器，而且还有吸收器需要冷却，传统的冷却方式都是采用水冷，因此需要一套包括冷却水 塔、水泵和辅助管路等在内的冷却水系统，而对于普通民用住宅来说，这可能是不切实际的。 但是如果能对吸收器采用风冷的方法冷却，就像传统压缩式制冷机中对冷凝器采用风冷一 样，那么这一问题就可能迎刃而解。 1 2 研究现状 普通的管壳式换热器对于微型和小型溴化锂制冷机组显得太复杂，长沙远大集团”和广卅f 能 源所的廉永旺等1 1 ”采用螺旋盘管或蛇形管换热器，其优点是减少了管子的接头，但其传热显 然还不够强化；国内外在高效紧凑换热器应用于吸收式制冷系统方面也已经进行了较多的研究。 2 0 世纪9 0 年代初，日本的a s h i t a r a 和n n i s h i y a r n a 等人成功地将板翅式换热器应用到溴化镗吸 东南大学硕士学位论文 浓溶液 中间旅港 懂 中问稀溶液 樯藩澶 两相流体 垮剂承 口 d 图1 - 11 x 级板型澳化锂制冷机流程 收式制冷系统的发生器中 4 5 1 ，大大地提高了发生器的效率，减小了整个系统的体积。荷兰c o l i b r i b y 商行的j b a s s o l s 和rl a n g r e e k 等人将板翅式换热器应用于吸收式制冷装置中，制造出全板翅式 换热器的氨吸收式制冷机，制冷量为1 m w 时，这种制冷机的体积仅为常规型式的1 尼4 咽。由此 可见，采用紧凑式换热器作为吸收器、发生器在提高机组性能、减小体积、吲氐造价上有巨大的 潜力。上海理工大学热能工程研究所设计了一台 k t 0 n 式热交换器溴化锂吸收式制冷机实验台， 以降低机组的能耗，提高机组的热力系数为研究方向，通过对其进行实验研究，探求解决当今溴 化锂机组存在的体积大、能耗高、初投资高等难题”】田】。东南大学陈亚平教授则提出了采用双 尺度波纹板的板壳式溴冷机组方案，并研制了一台3 k w 的单效板型溴冷机实验样机和一台 5 k w 的1 x 级板型溴冷机实验样机( 图1 - 1 ) ，后者可利用温度为7 0 ( 2 以上的热水制冷。试 验证明这2 台样机的制冷性能基本符合设计值。可以认为采用高效紧凑的板型换热器( 包括 板式、板翅式、板壳式) 因材料消耗少而在规模生产时能降低成本，将成为微型溴冷机产品 化的主流。 吸收器是吸收式制冷机的关键部件，其性能的好坏直接影响到制冷机的性能。上海理工 大学李美玲等设计了板翅式吸收器口“。在液膜整个垂直下降过程中，溶液被翅片延展，提高 了传热传质的面积，并在整个流程上冷却溶液，保持了溶液在全程上的传质驱动力，强化了 传质，达到比管壳式喷淋降膜更好的吸收效果。 通常吸收式制冷机都采用水冷却，良好的冷却效果是水冷的特点，但同时。水冷却需要 添置冷却水塔等，这将导致系统配制和运行的复杂化，对于小型化、分散化的吸收式制冷可 能并不合适。对吸收器采用风冷是简化系统的选择的方案。与水冷相比，风冷吸收器具有布 置简单，运行费用低，不消耗水源，占地面积较小等优点，但是风冷效果不如水冷，因而将 使制冷效率有所降低。因此，要实现吸收器的风冷却，必须研究风冷吸收器的传热、传质特 性，并提出强化吸收性能的方法。由于吸收器内压力极低，水蒸汽的比容很大，因此需要有 2 第一章绪论 很大的流通截面，且通常为液膜型的传热传质过程，而空气侧因传热系数较低需要较多的扩 展表面。中国科技大学程文龙等提出了竖直管内走溶液和蒸汽，管外走冷风的翅片管风冷垂 直降膜吸收器方案，并对溶液吸收侧的传热传质过程做了数值模拟，但并未完全地模拟板外 风侧的状况以及板外工况对板内吸收的影响【1 w 。虽然钢管或铜管铝翅片的复合管已有现成 产品，但由于管子的挡风面积较大，设计上很难做得紧凑。陈亚平曾提出一种板壳板翅复合 式风冷吸收器【】”，溶液和蒸汽走板内竖直通道，冷风走板外水平翅片通道，这样既增大了 板内传热传质的面积，而且减小了板外的挡风面积，并在整个流程上冷却，强化了换热。由 于溴化锂对金属的强腐蚀性，该方案板内溶液侧需要采用耐腐蚀的不锈钢材料，板外空气侧 则希望是用导热性能良好的材料做翅片，由于目前不锈钢与铝还无法钎焊在一起，因此考虑 风侧采用导热性能同样良好的铜翅片与不锈钢隔板钎焊。 由于现在有关风冷吸收器方面的研究文献还非常少，因此研究不锈钢加铜翅片的板型风 冷吸收器的强化传热传质特性，流动阻力等经济性指标对于小型溴冷机的普及推广和产业 化具有重要的意义。 1 3 本文的主要工作 本文的目标是要得到板翅式风冷吸收器翅片侧最佳的翅片几何设计参数和合理的空气 r e 数、温度，以获得最好的传热传质性能。以及对板内吸收过程的影响因素。因此，本文 的主要工作就是对风侧和溶液侧分别建立数学模型，在不同的翅片几何结构及空气工况参数 下- 对吸收器进行数值模拟，比较其性能的差异。笔者利用计算流体力学软件f l u e n t 对 风侧进行模拟，着眼于翅片的几何参数和空气r e 数、温度对吸收器两侧的传热传质性能的 影响，采用m a t l a b 6 5 对溶液侧进行模拟，希望得到在风侧换热条件下，溶液侧的吸收性能。 主要工作包括： 对于风侧： 1 以锯齿形翅片作为研究对象，利用g a m b i t 软件为所选取的研究对象建立几何模型， 并划分网格，设置边界条件； 2 选用湍流模型，对翅片侧流动的速度分布，阻力特性和温度场的分布进行数值模拟； 3 改变不同的翅片结构参数，对翅片侧进行模拟，达到优化设计的目的； 4 改变不同的空气r e 数( 速度) 和厶口温度，对翅片侧重新模拟，选取合理的数和 入口温度； 5 采用不同的湍流模型，对翅片侧重新模拟，比较不同方案的结果，分析优劣： 对于溶液侧： 1 对溶液侧建立数值模型，自行编程，得到液膜的速度、温度、浓度的分布一睛况； 2 引入反转液膜原理来计算锯齿型翅片的几何结构对溶液测吸收性能的影响； 3 分析不同的液膜反转次数对吸收性能的影响。 东南大学硕士学位论文 第二章板型换热器及计算流体力学简介 2 1 板型换热器 板型换热器包括螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器和板壳式换热器等( 6 】。传 统的管壳式换热器具有结构简单、适用范围广、清洗方便等优点，但传热效果较差、体积比 较大，因此，在某些场合，比如要求传热性能好，体积小的地方，板型换热器就显示出了它 的优点。从能源利用角度考虑，工业上对换热器的要求首先是希望有高的传热效率，也经常 要求换热器具有较小的体积，即要“紧凑”。这一个问题对于涉及某些传热性能较差的流体 之间的换热尤为突出。因为为了保持传热量不变，传热面的增加将导致热交换器的体积庞大。 如以同样的传热量和功率消耗为比较条件，则气一气热交换器的传热面积要比液一液熟交换 器大1 0 倍左右。因而，提出了在增加传热面积的同时，如何减小热交换器体积的要求。 为了比较所设计的热交换器在满足一定的传热量下占有的体积大小，常用一个指标 “紧凑性”来衡量。紧凑性是指换热器的单位体积中所包含的传热面积的大小，单位为 m 2 一。构成紧凑式换热器的关键是要具有紧凑的传热面，它可以通过二次表面来形成，如 板翅式换热器中的翅片；或使用波纹板状表面，如板式换热器。 2 i 1 板式换热器 板式换热器是近几十年来得到发展和广泛应用的一种新型高效、紧凑的热交换器。它由 一系列相互平行、具有波纹表面的薄金属板相叠而成，比螺旋板式热交换器更为紧凑，传热 性能更好。国外著名的生产厂家有瑞典a l f a - - l a v a l 公司、英国a p v 公司等。我国也有 许多家工厂生产。板式换热器的应用面很广，尤其是更适宜用于医药、食品、合成纤维、化 工等工业，并且随着板型、结构上的改进，正进一步扩大它的应用领域。 2 1 2 板翅式换热器 在上世纪3 0 年代，首先在先进国家将板翅式换热器用于发动机的散热，5 0 年代在深冷 和空分设备上开始采用。随着有色金属和不锈钢防腐处理技术以及钎焊工艺技术的提高，近 年来在化工、石油化学、航空、车辆、动力机械、电子等工业部门得到了广泛的应用。它结 构紧凑、轻巧、传热强度高的特点引起了科技和工业界的注意，也被认为是最有发展前途的 新型热交换设各之一。 2 1 t 3 板壳式换热器 与管壳式抉热器相对应，这类换热器由波纹板片组和壳体构成，具有传热效率高、结构 4 第二章板型换热器及计算流体力学简介 紧凑且成本较低等优点，是集板式换热器的高效紧凑和管壳式换热器的灵活优点于一身的新 型换热设备。近年来在欧美等发达国家已竞相开发研制，并在炼油、化工、冶金和环保等工 业生产领域广泛应用。国内也有一些单位进行了研制开发。 由于溴化锂吸收式制冷机中的蒸发器和吸收器通常组合在同一壳体内以形成截面积较 大的汽流通道，因此它们很适合采用由2 个或2 个以上紧凑型换热元件( 波纹板传热面或板 翅式传热面) 装在1 个壳体内组成板壳式换熟器结构。发生器和冷凝器亦然。 2 2 计算流体力学c f d 简介 2 2 1 概述 计算流体力学”( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是通过计算机数值计算和图 像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想 可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列 有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场 变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看作是在流体基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控 制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到及其复杂的流场内各个位置上的 基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布。 c f d 方法与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。 理论分析方法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指导实验研 究和验证新的数值计算方法的理论基础，而且成本低，速度快，资料完备，具有模拟真实条 件和理想条件的能力。但是，它往往要求对计算对象进行抽象和简化，才有可能得到理论解。 对于非线性情况，只有少数流动才能给出解析结果。 实验测量方法所得的实验结果真实可信，它是理论分析和数值方法的基础，其重要性不 容低估。然而，实验往往受到模型尺寸、流动扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能 很难通过实验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力和物力的巨大耗费及周期 长等许多困难。 c f d 方法克服了前面两种方法的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计 算机上做一次物理实验。例如，换热器翅片侧的流动，通过计算并将其结果在屏幕上显示， 就可以看到流场的各种细节：如冷却介质的流动，湍流的强度，漩涡的生成与传播，流动的 分离、表面的压力分布、受力大小等。数值模拟可以形象地再现流动情景，能够提供更加琵 象的图形 东南大学硕士学位论文 2 2 2c f d 的特点 c f d 的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线陛的，自 变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有可能找 出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参 数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和 实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊 尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理 上合理、数学上适用、适合于在计算机进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提 供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差：第二，它 不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型 试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证：第三，程序的编制及资料的收 集、整理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可 能导致计算结果的不真实。当然，某些缺点或局限性可通过某些方式克服或弥补。此外， c f d 因涉及大量数值计算，因此，常需要较高的计算机软硬件配置。 2 , 2 3c f d 的应用领域 近十多年来，c f d 有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算法和图解 法。过去的一些典型教学实验，如r e y n o l d s 实验，现在完全可阻借助c f d 手段在计算机上 实现。所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体力学 的方法进行分析和模拟。c f d 不仅作为一个研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、 土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等领域发挥作用。比如，水轮机、 风机和泵等流体机械内部的流体流动，温室及室内的空气流动及环境分析，换热器性能分析 及形状的选择等等。对这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型 实验，而现在大多采用c f d 的方法加以分析和解决，c f d 技术现在已发展到完全可以分析 三维粘性湍流及漩涡运动等复杂问题的程度。 2 2 4c f d 的分支 经过四十多年的发展，c f d 出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控 制方程的离散方式。根据离散的原理不同，c f d 大体上可分为三个分支：有限差分法( f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ，有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，有限体积法( f i n i t e v o l u m em e t h o d ，f v m ) 。 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法，它将求解域分为差分网格，用有限个网 6 第二章板型换热器及计算流体力学简介 格结点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限 个未知数的差分方程组。求出差分方程组的解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是 一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早，比较成熟，较多的 用于求解双曲型和抛物型问题。在此基础上发展起来的方法有p i c ( p a r t i c l e i n c e l l ) 法、 m a c ( m a r k e r a n d c e l l ) 法，以及陈景仁提出的有限分析法( f i n i t e a n a l y t i cm e t 1 0 d ，f a m ) 等。 有限元法是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法中离散处理 的内核，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的合理方法。有限元法因求解速 度较有限差分法和有限体积法慢，因此应用不是特别广泛。在有限元的基础上，英国c a b r e b b i a 等提出了边界元法和混合边界元法等。 有限体积法是将计算区域分为一系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分 得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方程过程中，需要对界面上的被求函数本身 及其导数的分布作出某种形式的假定。用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特 性，而且离散方程系数物理意义明确，计算量相对较小。1 9 8 0 年s vp a t a n k e r 在其专著 n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w 中对有限体积法做了全面的阐述。此后，该方法 得到了广泛的应用，是目前c f d 应用最广的一种方法。当然，对这种方法的研究和扩展也 在不断进行，如pc h o w 提出了适用于任意多边形非结构网格的扩展有限体积法。 2 2 5c f d 的工作步骤 2 3 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤： 建立反应工程问题或物理问题本质的数学模型。具体的说就是要建立反映问题各个量之 间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模 型，数值模拟就毫无意义。流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程，以及这些方程相应的定解条件。 寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差 分法、有限元法、有限体积法等。这里的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求 解方法，还包括贴体坐标的建立，边界条件的处理等。这些内容是c f d 的核心。 编制程序和进行计算。这部分工作包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、控 制参数的设定等。这是整个工作中磋时间最多的部分。由于求解的问题比较复杂，比如 n s 方程就是一个十分复杂的非线性方程，数值求解方法在理论上不是绝对完善的，需 要通过实验加以验证。正是从这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。 4 显示计算结果。计算结果一般通过图标等方式显示，这对检查和判断分析质量和结果有 重要的参考意义。 东南大学硕士学位论文 2 3f l u e n t 简介 2 3 1 概述 建立控制方程 i 确立初始条件及边界条件 i j 分计算网格，生成计算结点l l - i 建立离散方程l l 离散初始条件和边界条件 l 给定求解控制参数 i 求解离散方程 人否 i 是 显示和输出计算结果 图2 - 1c f d 工作流程图 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是继p h o e n i c s 软件 之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最 广、国内使用最广泛的c f d 软件之一【g 】。 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用 c f d 软件，它的设计基于c f d 软件群的概念，针对各种复杂流动的物理现象，采用适当的 数值解法，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到优化组合，从而高效率地解决各个领 域的复杂流动计算模拟。f l u e n t 技术将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机 软件群，软件之间可以方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科 研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力 和智慧用于物理问题本身的探索上。 从本质上讲f l u e t n t 是一个求解器。f l u e n t 本身提供的主要功能包括导入网格模 型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理。f l u e n t 支持的网 格生成软件包括g a m b i t 、t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 及其他c a d c a e 软件包。 第二章板型换热器及计算流体力学简介 2 3 2f l u e n t 软件的特点 8 适应性很强的网格生成技术。网格的选择对于c f d 计算一直是关键的问题，它对于计 算问题的精度和稳定性都有重要的影响。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，提 供了灵活的网格特性，用户可以方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂的区域进 行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单元网格和四边形单元网格；对于三维问题， 提供的网格单元包括四面体、六面体、棱锥及杂交网格等。f l u e n t 还允许用户根据 求解规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。 先进的数值解法。f l u e n t 采用了耦合隐式算法，从而可以高精度、高效率地计算带 有激波的复杂流场、剪切层干扰和漩涡干扰等问题。 博采众长的物理模型功能。由于囊括了比利时p o l y f l o w 和f 1 u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l ( v d i ) 的全部技术力量，( 前者是公认的在粘弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的 公司，后者是基于有限元方法c f d 软件方面领先的公司) ，因此f l u e n t 软件能推出 多种优化的物理模型，可用于= 维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考 系下流场模拟、定常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传 热和热混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、 多孔介质分析等。 高效率的并行计算功能。采用双c p u 系统的个人计算机，可使计算速度提高1 7 倍以 上。 强有力的图形后处理功能。通过图形后处理软件，可以得n - - - 维和三维图像，包括速度 矢量图、等值线图( 流线图、等压线图) 、等值面图( 等温面和等马赫数面图) 、流动轨 迹图，并具有积分功能，可以求得力和流量等。 2 3 3 u d f 简介 f l u e n t 是在交互方式下使用的，可以设想，对于复杂的边界条件或用户自定义的方 程源项t 很难直接通过对话框输入给f l u e n t ，因此，需要使用f l u e n t 提供的用户自定 义函数( u d f ) ，来扩展f l u e n t 的用法。 用户自定义函数”( u s e rd e f i n ef u n c t i o n ，u d f ) ，是f l u e n t 中用户自编的程序。它 是一个在c 语言基础上扩展了f l u e n t 特定功能后的编程接口。借助u d f ，用户可以使用 c 语言编写扩展f l u e n t 的程序代码，然后动态加载到f l u e n t 环境中，供f l u e n t 使用。 u d f 的主要功能包括： 定制边界条件、材料属性、表面和体积反应率、f l u e n t 输运方程的源项、用户自定 义的标量方程的源项、扩散函数等； 调整每次迭代后的计算结果： 初始化流场的解； 9 东南大学硕士学位论文 u d f 的异步执行； 强化后处理功能； 强化现有f l u e n t 模型( 如离散相模型、多相流模型等) ； 向f l u e n t 传送返回值、修改f l u e n t 变量、操作外部案例文件和d a t a 文件。 用户必须通过d e f i n e 宏来定义自己的函数。要将u d f 源程序在f l u e n t 中运行，应 遵循以下基本步骤； 1 ) 定义要求解的问题；2 ) 编制基于c 语言的u d f 源代码；3 ) 运行f l u e n t ，读入并设置案 例文件；4 ) 将u d f 源代码装入解释器进行解释；5 ) 将u d f 与f l u e n t 进行关联：6 ) 开始 计算：7 ) 分析计算结果，并与期望值比较。 2 4 本章总结 本章介绍了板型换热器和计算流体力学两个方面的内容。 板型换热器在工业上的广泛应用越来越受到人们的重视，采用板壳式换热器作为溴化锂 吸收式制冷机组的吸收器，已被实验证明是高效、紧凑适合小型化的选择方案。从风冷的角 度，采用两侧都有翅片强化的板翅式吸收器是一种很好的设想，但需要进行大量的研究工作， 特别是有关两侧流场的细节。 本文的一个主要工作就是要对风冷板翅式吸收器进行数值模拟，因此本章的第二部分介 绍了计算流体力学的一些基本方法，包括c f d 方法的特点、应用领域和工作步骤等，并介 绍了f l u e n t 软件的一些相关概念。 对板翅式吸收器的模拟包括了两个部分：扳外风侧模拟和板内溶液侧的模拟。 对于风侧，因为模拟的主要目的是研究风冷的冷却性能，包括传热和阻力的性能，因此 采用f l u e n t 作为解算器就绰绰有余了。f l u e n t 对于一般的单相流体流动的模拟已经相 当完善，即使是对复杂几何体内部的单相流体的流动，计算的精确度也已经相当高，它不但 能计算出流动的阻力压降和换热系数，为流动的换热性能提供分析依据，而且能形象地描述 出流场的特点，例如流场区域的速度矢量图。等温线图，传热量分布图，湍流分布图，压力 分布图等等，可以说它相对于普通的c f d 计算方法已经前进7 _ 1 l 大一步。因此本文对风侧 的模拟采用f l u e n t 软件，具体的方法将在后续章节中介绍。 对于溶液侧，因为在溴化锂溶液的吸收过程不但包括了传热过程，而且还有复杂的传质 过程，不但有液膜的流动，而且有水蒸气的流动。虽然f l u e n t 软件也提供了模拟两相流 动的解算器，但是一般都不包含传质的过程，而只有传热过程。笔者曾试图对溶液侧采用 f l u e n t 进行模拟，但是都失败了因此最后笔者还是决定采用c f d 中的有限差分法，对 溶液侧建立数学模型。自行编制程序来模拟溶液侧的传热传质性能。虽然这种方法只能得到 温度、阻力压降和质量浓度等的数据，无法像风侧的模拟那样提供流场的可视图形，但对于 性能的分析是足够了。 1 0 第三章板翅式吸收器的风侧数学模型 第三章板翅式吸收器的风侧数学模型 近年来板翅式换热器在化工、石油化学、航空、动力机械、电子、原子能和宇宙航行等 工业部门中得到广泛应用。它的结构紧凑、轻巧、传热强度高的特点引起了科技和工业界的 注意，被认为是最有发展前途的新型热交换设备之。 3 1 研究对象 图3 - 1 板翅式空冷吸收器 隔板、翅片和封条构成了板翅式换热器的基本结构单元。图3 1 显示了板翅式换热器的 结构图。冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动，通过翅片及与翅片连成一体的隔板 进行热交换。翅片作为最基本的元件，冷热流体之间的热交换大部分通过翅片，小部分直接 通过隔板来进行。翅片与隔板之间的连接采用真空钎焊，大部分热量通过隔板并由翅片传给 1 l 东南大学硕士学位论文 冷流体，故翅片被称为“二次表面”。翅片除了承担主要的传热任务外，还起着两隔板之间 的加强作用。尽管翅片和隔板的材料都很薄，但由此构成的单元体的强度很高能承受较高 的压力旧。 翅片的型式很多，如：平直翅片、锯齿形翅片、多孔翅片、波纹翅片、钉状翅片、百叶 窗式翅片等。其中锯齿形翅片对促进流体的湍动，破坏热边界层十分有效。在压力损失相同 的条件下，它的传热系数要比平直翅片高3 0 以上，故有“高效能翅片”之称。因此，本 文以锯齿形翅片的板翅式换热器作为吸收器，来研究它的性能。 吸收器截面的结构如图3 - 1 所示，由成排的溶液流道和冷却介质流道间隔布置组成。各 自流道中均布置有翅片。因为隔板两侧压力差超过一个大气压，因此翅片在延展溶液、强化 传热传质的同时，起到强化结构，支撑隔板的作用。板内溶液与板外冷却空气形成交叉流动。 由于锯齿形翅片的周期对称性，在建立数学模型时，截取一部分翅片，如图3 2 所示， 两侧的面具有对称性，这样既能够很好的反映流场，又能够节约计算机资源。 3 2 基本控制方程2 j 【8 1 图3 2 计算域翅片结构 1 2 ( 3 - 2 1 ) 第三章板翅式吸收器的风侧数学模型 由于模拟稳李工况：因此詈2 0 ，品是从分散的二级相中加入到连续相的质量( 比方说 由于液滴酾蒸发) ，此处品：o 。 2 动量守恒方程： 昙咖i ) + 毒b 一) = 一考+ 鼍+ 昭，+ 鼻 c ，抛， 其中p 是静压；应力张量勺= 考+ 誓 - ；等岛；昭一只分别为z 方向 上的重力体积力和外部体积力( 如离散相相互作用产生的升力) 。f 包含了其它的模型 相关源项，如多孔介质和自定义源项，此处昙咖) 2 0 ，偌，2 0 ，e = o - 3 能量守恒方程： 鲁泅，+ 毒妇力= 毒 等- 期+ 砖 z 其中是有效热传导系数( 尼+ 一，其中k ，是湍流热传导系数根据所使用的湍流模 型来定义；品包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项此处言( p r l = 。， 品= o 。 4 组分质量守恒方程： 掣+ 掣= 毒( b 掣卜 协z 4 ， 其中岛为组分j 的体积浓度：卢q 是该组分的质量浓度：皿为该组分的扩散系数，s 为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量。此处里i 壁尘；o 。 3 3 基本假设 1 ， 认为翅片侧空气流动已充分发展，并已达到稳定状态，因此本文将翅片侧的流动简化为 模拟稳态湍流流动，不考虑时间因素的影响： 2 考虑到风侧空气流动被翅片扰动，可以认为处于湍流状态，在选择合理空气r e 数的前 提下，保证空气流动为湍流，考虑湍流模型； 3 虽然管内液膜吸收过程中，壁面温度是变化的，但是对于建立数学模型所使用的那部分 东南大学硕士学位论文 板外翅片而言，只是液膜某一横截面的狭长区域，因此认为研究对象的隔板温度是常数； 4 由于翅片及隔板都很薄，因此在几何模型中将其处理成薄片，在以后的边界条件中设定 其厚度。 3 4 网格生成 3 4 1 网格介绍【3 i 8 网格( g r i d ) 分为结构网格和非结构网格两大类。f l u e n t 支持的网格软件包括 g a m b i t 、t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 等。笔者用g a m b i t 软件生成研究对象的几何模型、 划分网格和设定边界。由于吸收器风侧锯齿形翅片不是左右对称的，因此必须采用三维几何 模型。在结构网格中的三维网格单元有四面体、五面体( 棱锥形和金字塔形) 以及六面体， 如图3 - 3 所示。 四面体六面体棱锥形金字塔形 图3 - 3 三维网格单元 3 4 2 网格选择 在板翅式吸收器风侧两隔板间的锯齿