（热能工程专业论文）波纹板形状参数对换热器性能影响的数值研究.pdf

一嬲一 波纹板形状参数对换热器性能影响的数但饼冤 摘要 换热器作为在能源、化工、冶金、石油等领域中广泛应用的设备，其 强化换热一直备受重视。由于换热设备的换热效率不断提高，波纹板已成 为板式及板翅式换热器的基础板型。常见的波纹板型有三角型、正弦型、 弧型、梯型及近似三角型的圆角型通道等，在这些不同型式的波纹表面中， 换热设备中最常用到的是三角型和正弦型两种波纹通道。 本文利用g a m b i t 2 3 前处理软件分别对二维三角型及三维正弦型波 纹通道划分适当的网格，运用流体力学计算软件f l u e n t 6 3 对空气在二维、 三维周期性通道中的湍流流动及换热进行数值模拟。分析了恒壁温下通道 不同几何结构参数如间距比、波纹纵横比、截面高宽比等对流动及换热的 影响。对比了不同几何因子的通道内的流场、温度场、壁面剪切应力、阻 力系数、努谢尔特数，并通过综合性能因子揭示了不同几何结构通道的综 合性能，为波纹板换热器的换热和流动的最佳性能提供理论依据。 通过数值研究同相位三角型波纹通道发现：在波纹纵横比丫一定时， 随着间距比的增加，通道上壁面的入口处、波谷处以及下壁面的波峰处 的漩涡显著增大；随着r p 的增加，流体的惯性作用逐渐增强，漩涡强度增 强，漩涡的体积增大。当一定时，在丫较小时，随着月p 的增加，通道内 流线几乎保持互相平行，流动没有出现漩涡。这是由于波纹振幅较低时， 黏性力占主导作用，惯性力的作用较小。随着丫的增加，通道入口处的流 太原理工大学硕士研究生学位论文 线产生扭曲，通道入口处上壁面的附近、波谷处以及下壁面波峰处均有程 度不同的漩涡出现。 通过数值研究反相位三角型波纹通道发现：在雷诺数r p 一定时，随着 间距比的增加，漩涡的形状由狭长逐渐变化为圆实。同时，漩涡的范围 也由接近通道入口处逐渐向通道中心处发展。当保持不变时，流体的惯 性作用随着r e 的增加而逐渐增强，漩涡强度增强，体积不断增大。在波纹 间距比y 较小( 1 i r = o 1 2 5 ) 时，流线几乎与通道的垂直中心线对称，流动形式 也与平直通道的流动十分接近，具体表现为流场中未出现漩涡。 通过数值模拟空气在正弦型三维通道内的湍流流动及换热表明：截面 高宽比0 【的变化对通道的阻力系数无明显影响，而对平均努谢尔特数u 有 不同程度的影响。在间距比较小时，同相位的综合性能因子高于反相位。 当增加时，反相位的综合性能因子又高于同相位。相位差对流动及换热 的影响因通道间距比的不同而不同：小间距比时同相位的性能最好，而大 间距比时反相位的性能最好。最后，选取同、反相位性能因子最高的波纹 通道，对该通道的阻力系数及努谢尔特数进行公式拟合，为工程实际计算 提供参考依据。 采用非稳态算法，对空气在二维正弦型波纹通道中的流动及换热进行 数值模拟发现：当r e = f 4 0 0 时，流动由稳态转变为非稳态。当波纹通道内 的流动为稳态时，换热量稍高于平直通道；当通道内的流动由稳态转变为 非稳态流动时，换热量的增加较平直通道十分明显。 关键词：波纹板换热器，数值模拟，几何因予，湍流 n u m e r i c a ls t u d y o fh e a te x c h a n g e r s t h d i f f e r e n tg e o m e t r i c p a r a m e t e r s a b s t r a c t h e a tt r 龇l s f e re n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y w h a t w e r eu s e d i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e w i l ln o to n l ys a v ee n e r g ya n dp r o t e c te n v i r o n m e n t ，b u ta l s o as u b s t a n t i a ls a v 逾g so ni n v e s t m e n tc o s t s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f 她h e a te x c h a n g e ri so n eo ft e c h n o l o g yt o e n h a n c eh e a tt r a n s f e r t h eh e a t t r a n s f e rw a sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fe n e r g y , c h e m i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , p e t r o l e u m ，i t se r l l l a l l c e dh e a tt r a n s f e rh a v eg e tm u c h a t t e n t i o n c o r r u g a t e dd u c t s a r eb a s i cc h 锄e 1g e o m e t r yi np l a t eh e a tt r a n s f e re x c h a n g e r sa n dp l a t e - f mh e a t 【c h a n g e r sb e c a u s et h eh e a tt r a n s f e rr a t eo f t h eh e a tt r a n s f e rd e v i c e st e n d st o i 1 1 c r e a s e 卟e r ea r ev a r i o u sf o r m so f t h ec o r r u g a t e ds u r f a c e s ，s u c ha st r i a n g u l a r , s i n u s 0 i d a l ，a r c s h a p e d ，r o u n d e dc o m e r ss i m i l a rt ot r i a n g u l a ra n dt r a p e z o i d a l a m o n gt h e s ed i f f e r e n tt y p e so fc o r r u g a t e ds u r f a c eg e o m e t r i e sa v a i l a b l e ，t h e t r i 卿1 a ra n ds i n u s o i d a lp r o f i l eg e o m e t r y i sm o r ec o m m o n l yu s e d i nh e a t e x c h a n g e r d e v i c e s m o d e l i n gs o f f w a r eg a m b i t 2 0i su s e dt oe s t a b l i s h e dr e a s o n a b l eg r i d f o rt v 旧d i m e n s i o n a lt r i a n g u l a rc h a n n e l a n dt h r e e d i m e n s i o n a l s i n u s o i d a l i i i c h a n n e l t h ep a p e rs i m u l a t e st h ea i rf l o wa n dh e a t 咖凳ri n t u r b u l 鲫【c e c o n d i t i o nb yf l u e n t 6 3 u n d e rac o n s t a n tw a l lt e m p e r a t u r e ，a n a l y s i so f d i 伍删 g e o m e t r i cp a r a m e t e r st h a t i n c l u d i n gs p a c i n gr a t i o ，s e v e r i t ya n dd u c t c r o s s - s e c t i o na s p e c tr a t i oe f f e c to nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e s 孤： p a p e rc o m p a r i n gt h es t r e a m l i n ed i s t r i b u t i o n ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , s h e a r i n g s t r e s s d i s t r i b u t i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dn u s s e l tn u m b e r sw i i 【l ld i 虢r e n t g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，a n dt h ea r e ag o o d n e s sf a c t o ra r eu s e dt oa s s e s s i n gt h e t h e r m a l - h y d r a u l i cp e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n to ft h ec o r r u g a t e dc h a n n e l sw i t h d i f f e r e n tg e o m e t r i cp a r a m e t e r s t r o u g hn u m e r i c a lr e s e a r c h ，t h e a n a l y s i s r e s u l t sa b o u tt r i a n g l e c o r r u g a t e dc h a n n e l sw i t hi n - p h a s es h i f t ss u r f a c e ：w h e nt h es e v e r i t yv a l u er e m a i n 【 u n c h a n g e d ，t h ev o r t e xw h i c hl o c a t e da tt h ee n t r a n c eo ft h eu p p e rw a l l ，a tw a v y t r o u g ha n d a tt h ew a v yp e a ko ft h el o w e rw a l lb e c o m e l a r g e rw i t ht h ei n c r e a s eo f s p a c i n gr a t i o ；a sr e y n o l d sn u m b e ri n c r e a s e s ，t h ef l u i di n e r t i aa c t i o ni n c r e a s e d g r a d u a l l ya n dt h ev o r t e xi n t e n s i t ye n h a n c e d ，v o r t e xs i z ee n l a r g e d w h e nt h e s p a c i n gr a t i ov a l u er e m a i nu n c h a n g e d ，t h es t r e a m l i n ei nt h es m a l ls e v e r i t y c h a n n e lp a r a l l e lt oe a c ho t h e ra n dt h e r ea r en ov o r t e xi nt h ec h a n n e l t h i si s b e c a u s et h ec o r r u g a t i o na m p l i t u d ei sr e l a t i v e l yl o w , v i s c o u sf o r c et a k eu pt h e l e a d i n gr o l ew h i l et h ee f f e c to fi n e r t i af o r c ei ss m a l l e r w i t ht h ei n c r e a s e do f s e v e r i t y , t h es t r e a m l i n ea tt h ee n t r a n c eo ft h ec h a n n e l sd i s t o r t i o n ，d i f f e r e n t d e g r e e so fv o r t e xa r ef o u n da tt h ee n l a a n c eo ft h eu p p e rw a l l ，a tw a v y t r o u g ha n d a tt h ew a v y p e a ko f t h el o w e rw a l l i v t h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o u tt r i a n g l ec o r r u g a t e dc h a n n e l sw i t ha n t i 。p h a s e s b i f f ss u r f a c e ，w h e nr e y n o l d sn u m b e ri sc e r t a i n ，w i t h t h es p a c i n gr a t i o i n c r e a s e s ，v o r t e xs h a p ec h a n g e dg r a d u a l l yf r o ml o n ga n dn a r r o w t oc i r c l e a tt h e s a m et i m e ，t h es c o p eo ft h ev o r t e xg r a d u a l l ye x t e n d e dt ot h e c e n t e ro ft h e c h a n n e l w h e nt h es p a c i n gr a t i or e m a i nu n c h a n g e d ，w i t ht h e i n c r e a s e do f r e y n o l d sn u m b e r , t h ef l u i di n e r t i aa c t i o ni n c r e a s e dg r a d u a l l ya n dt h ev o r t e x i n t e n s i t ye n h a n c e d ，v o r t e xs i z ee n l a r g e d w h i l et h es e v e r i t yi ss m a l l e r ( 丫= 0 1 2 5 ) ， s t r e a m l i n ea n dt h ec h a n n e lp e r p e n d i c u l a rc e n t e rl i n ea l m o s ts y m m e t r y , a n dn o v o r t e xa p p e a r e dt h a tf l o wf o r mi sv e r yc l o s et ot h ep a r a l mc h a n n e l t r o u g hn u m e r i c a lr e s e a r c h ，t h ea n a l y s i s r e s u l t sa b o u ts i n u s o i d a l c o r r u g a t e dc h a n n e l s ：f l o wc r o s s s e c t i o na s p e c tr a t i o ( a ) h a d n os i g n i f i c a n te f f e c t o nt h ef r i c t i o nf a c t o r , b u th a v ed i f f e r e n td e g r e e si m p a c to nt h ea v e r a g en u s s e l t n u m b e r w h e nt h es p a c i n gr a t i oi ss m a l l e r , t h ea r e ag o o d n e s sf a c t o r ( j f ) o f i n - p h a s es h i f t ss u r f a c ei sb e t t e rt h a nt h ea n t i - p h a s e w i t ht h ei n c r e a s e do ft h e s p a c i n gr a t i o ，t h ea r e ag o o d n e s sf a c t o r ( j f ) o fa n t i p h a s es h i f t ss u r f a c ei sb e t t e r t h a nt h ei n - p h a s e p h a s ed i f f e r e n c ee f f e c t so nf l o wa n dh e a tt r a n s f e rd u et o d i f f e r e n tc h a n n e ls p a c i n gr a t i o ：a no p t i m u mg o o d n e s si sa t t a i n e do nt h ei n 。p h a s e c h a n n e lw i t ht h es m a l l e s ts p a c i n gr a t i oa n dt h es m a l l e s ts e v e r i t yw h i l ew i t ht h e b i g g e s ts p a c i n gr a t i oa n dt h es m a l l e s ts e v e r i t yf o rt h ea n t i p h a s e f i n a l l y , b o t h i n p h a s ea n da n t i p h a s ec h a n n e l sh a v et h em a x i m u mp e r f o r m a n c ef a c t o rw e r e s e l e c t e dt of i tf o r m u l ao ff r i c t i o nf a c t o ra n dn u s s e l tn u m b e rt op r o v i d er e f e r e n c e f o re n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 二o 二二二二= = _ 二_ = ：= = = 一一 一 t h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c e sf o ra i r i n p e r i o d i c a l t w o 。d i m e n s i o n a ls i n u s o i d a lc h a n n e l sw a sc a l c u l a t e du s i n ga u n s t e a d yn u m e r i c a l m e t h o d s ，t h er e s u l t ss u p p o r tt h a tw h e nr e = 1 4 0 0 ，t h ef l o wi nt h ec h a l m e l s b e c a m eu n s t e a d y i nt h e s t e a d yf l o w , t h ea v e r a g en u s s e l tn u m b e r sf o r t h e c o r r u g a t e dc h a n n e lw a so n l ym o d e r a t e l yl a r g e rt h a nt h o s ef o rap a r a l l e l - p l a t e c h a n n e l w h i l e ，i nt h eu n s t e a d yf l o w , t h en u s s e l tn u m b e r sw a sm u c h l a r g e rt h a n p a r a l l e l - p l a t ec h a n n e l k e yw o r d s ：c o r r u g a t e d p l a t e h e a t e x c h a n g e r s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t u r b u l e n c e v i 一 奎堕堡三查堂堡主堑茎生堂垡鲨茎 一 - - - _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ l _ - _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - 一一 符号说明 传热面积，m 2 ；波纹振幅，m i l l 比热，j ( k g k ) 公式拟合常数 波纹通道当量直径，m 阻力系数 质量流量，k g s 表面传热系数，w ( m 2 k ) 波纹板的高度，m l n 通道最小截面处高度，r a i n 通道最大截面处高度，r a i n 湍流强度 传热因子 湍动能，w ；总传热系数，w ( m 2 k ) ； 湍流长度尺寸，m 波纹一个周期长度，m i l l 非稳态迭代时间步数 波纹上下板间距，咖；三角型波纹板上下板间距 时间，s 温度，k 流体的平均温度，k 流体入口温度，k 通道壁面温度，k 流体平均速度，m s 流体时均速度，m s x 方向的速度，m s 1 u 垤 1 ， ， m a q 吼 耽 厂g h h 。 ， k ， l n s 。 t 弓k k 岫乙 取 太原理工大学硕士研究生学位论文 u y u z e g 。，c 2 。 g i 【 n u x n u m p p t 材 x ，y ，z y 方向的速度，r n s z 方向的速度，m s 湍流模型中经验常数 湍流常量 表示由平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项 局部努谢尔特数 平均努谢尔特数 压降，p a 局部压力与平均压力的偏差值，p a 冷热流体平均温差，k 脉动速度，m s 直角坐标系坐标 希腊字母符号 0 【 截面高宽比，s h p一个周期单元的平均压力梯度 r 扩散系数，m 2 s 丫波纹纵横比，2 肌 湍动能耗散率，m 2 s 3 ；间距比， s l p动力粘度系数，k g ( m s ) 1 ) 运动粘度系数，m 2 s p密度，k g m 3 壁面剪切应力，n m 2 毛w无量纲壁面涡量 o k ，a 湍流普朗特数 九 导熟系数，w ( m k ) 戤流函数最大值，蚝s t v 。 总传热量，w 无量纲准则数 n un u s s e l t 数， p rp r a n d t l 数， h d e a 弘p 几 船r e y n 。l d s 数，盟 u v _ 三型垦兰坚奎堂堡主堑窒生堂垡笙壅 一 v l 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题的背景 第一章绪论 能源工业作为当今国家经济的基础产业，也是技术密集型产业。现代能源技术向着 “安全、高效、低碳 发展，这也是抢占未来能源技术制高点的主要方向。我国能源生 产量和消费量均已居世界前列，但在能源供给和利用方式上存在着一系列突出问题，如 能源结构不合理、能源利用率不高、可再生能源开发利用比例低、能源安全利用水平有 待进一步提高等。随着经济社会的发展，人们使用能源特别是化石能源越来越多，能源 对经济社会发展的制约日益突出，对赖以生存的自然环境的影响也越来越大，而化石能 源最终将消耗殆尽。因此，提高能源利用效率、调整能源结构、开发和利用可再生能源 将是能源发展的必然选择。从能源利用效率上来说，强化传热技术在工程实践中的应用 不但节约能源、保护环境，而且能极大程度上节约投资成本【l 】。 换热器的开发及应用就是其中一种对传热进行强化的技术。换热器由于其在能源、 化工、石油和食品等部门的广泛使用，使得研究人员对换热器的强化传热技术十分重视， 各类研究成果也不断出现【2 】。结构型式和种类各异的换热器发展很快，新结构、新材料 的换热器不断出现。换热器又称为热交换器，通过该设备将流体的部分热量传递给冷流 体，在化工、能源等生产中，它是实现热量传递及交换不可缺少的设备。换热器能够对 现有能源进行合理利用与节约，同时也是新能源开发所需要的关键设备。随着工业化的 发展，人们的生活水平不断提高，人类对能源需求的日益增加与能源本身有限储量之间 的矛盾越来越尖锐。因此，如何合理利用已有能源的同时着手开发新能源成为世界瞩目 的研究性问题。在生产实际过程中，因为大多数燃料燃烧所释放的热量是通过换热设备 传递的，因此换热器的合理设计对能源的有效利用及开发起着至关重要的作用【3 1 。 板式换热器是热能动力设备常用的种换热设备，虽然问世时间相对较晚，但因为 其高效、紧凑及优异的传热性能，近几十年来得到了迅速发展并显示出广泛的应用前景。 但其本身也存在流动阻力大，承温、承压能力差等缺点。研究板式换热器性能的目的就 是要提高换热效率和降低流动阻力。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 强化换热技术 强化传热，作为一种改善传热性能的先进科学技术，于上世纪6 0 年代起蓬勃发展。 几十年来，强化传热的研究对传热学理论进行了开拓，使之更加丰富。在工业生产、能 源的开发与利用及节能中发挥着至关重要的作用【4 】。强化传热研究的主要任务是改善并 提高传热效率，从而通过使用最经济的设备来传递一定的热量，用最有效的冷却手段来 保护处在高温运行部件的安全性，用最高的换热效率实现能源的合理利用和分配。 1 2 - 1 强化传热技术的分类 热量的传递有三种基本方式：热传导、热对流与热辐射。因而换热的强化也要从这 三种传递过程入手，但工程实际中应用最多、设计最广的是对流换热的强化。对流换热 的强度与流体的物性、流动状态、流动所处的几何形状、流体在流动过程中有无相变等 因素有关。 传热的强化可从固体侧和流体侧两侧入手。工程中发生的大多数传热问题都是热量 从一侧流体通过固体壁面传给另一侧流体，因而可以通过改变流体的流动状态或者改变 固体壁面的结构形状来增强热量的传递。例如流体内设置扰流物及对流体施加外力等， 或者运用不同结构的换热表面，如波纹壁面。 从是否受到外部动力源的影响来分，可分为无源强化传热技术和有源强化传热技 术。无源强化技术是指除了输运传热介质功率外不需要额外的动力，而有源强化技术是 必须依赖外加动力( 如电磁力、机械力等) 的技术。其中无源强化传热技术包括表面涂 层、粗糙表面、扩展表面、内螺纹管、管内扰流元件、流体添加物及冲击传热等。有源 强化传热技术包括流体的机械搅拌、流体的振动、振动表面、电磁场干扰、喷入吸出流 体等。 本文从热阻相对较大的流体侧入手，研究的原表面换热器主要是通过改变换热表面 结构，使通道内流体形成复杂的流动方式，提高传热系数进而实现传热的强化。 1 2 2 换热强化的途径 强化换热，就是通过传热过程分析并找出影响传热的主要因素，进而采取相应的措 施使得所研究热力设备的热流量增加。换热器传热计算的公式为： 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 = k a a t ( 1 - 1 ) 式中：0 为总传热量，w k 为总传热系数，w ( m 2 k ) a 为传热面积，m 2 t 为冷热流体平均温差，k 由上式可知，可以通过增大平均温差、增加换热面积以及提高换热系数来增强换热。 平均温差t 的增大可以通过提高热流体的进口温度或者降低冷流体的进口温度来 实现；同时也可以通过改变冷热流体的流动方式来实现，顺流时，平均换热温差最小， 逆流时平均传热温差最大。 换热面积a 的增加，使得传热过程的总热阻减小，可以增强传热量。在材料消耗量 增加较少的前提下使得换热面积增加。工程中通常采用扩展表面来增加传热面积。其中 扩展表面加在对流热阻大的一侧，其强化效果显著，同时也能改善该侧的壁面温度。 总传热系数k 的提高，即减小传热过程的总热阻。传热系数的大小与两侧流体的对 流换热热阻及中间壁面的导热热阻有关参。 上述三种强化传热的方法中，增大平均温差的方法受到生产工艺条件及经济性的制 约，因此，先进的板式换热器( 即原表面换热器) 主要是通过改变换热表面结构，使通 道内流体形成复杂的流动方式，提高传热系数以达到传热强化的目的。 1 3 板式换热器的简介及研究现状 1 8 7 8 年，德国首先发明了板式换热器，之后，法国的m a l v a z i n 设计出沟槽式板式 换热器。国外自2 0 世纪3 0 年代开始，板式换热器已经在国外广泛应用。我国在2 0 世 纪7 0 年代，开始研究、设计并制造板式换热器，并将板式换热器用在轻工业、机械等领 域；2 0 世纪8 0 年代初期，扩大到民用建筑的集中供热；到了8 0 年代中期，空调制冷产 品的更新速率加快，在高层建筑中的使用率也不断提高，使得板式换热器广泛应用到空 调制冷领域当中【5 一。 最近几十年，板式换热器的技术日趋成熟，种类越来越多，工程实际应用范围也更 加广阔。结构上分为可拆卸式、焊接式、螺旋板式、蜂窝式；流道上有宽一窄流道与宽 一宽流道；板片波纹形式上有人字型波纹、水平波纹、竖直波纹、倾斜波纹等【7 】。不难 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 看出，板式换热器走向多元化的发展趋势。 由于板式换热器具有传热效率高，占地面积小，重量轻，污垢系数低，板片种类多， 同时又便于拆卸清洗，因而在冶金、矿山、石油、化工、电力等各个行业中得到了广泛 的应用，同时可用于加热、冷却、蒸发、冷凝、杀菌消毒、余热回收等各种工业应用中。 近些年，板式换热器的发展以及对板式换热器的研究，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 新型、高效传热波纹板片的研究与开发； ( 2 ) 耐腐蚀的板片、密封材料和表面涂层； ( 3 ) 耐高温、高压板式换热器； ( 4 ) 大型板式换热器的开发： ( 5 ) 研究板式换热器的传热、压损及最佳经济性能。 8 0 年代初，g o l d s t c i n 和s p a r r o w i 8 1 首次使用萘升华技术，对三角型波纹通道表面的 局部以及平均换热系数进行流场可视化研究。实验发现在层流流动中，其换热系数较平 直通道的提高不太明显，当流动进入不稳定的湍流流动时，其换热系数是平直通道的3 倍。 o b r i a n 和s p a r r o w l 9 】通过对间距与波高相等的三角型波纹通道进行可视化实验，得 到了充分发展湍流流动中的平均努谢尔特数随雷诺数及普朗特数的变化规律，同时指出 阻力系数的变化基本不依赖于雷诺数的改变，实验证明，波纹越倾斜的通道，越容易引 起流动分离，同时也使得流动过程的阻力增加。 m e n d e s 和s p a r r r o w t l o l 对周期性缩放通道湍流流动的进口段与充分发展段进行了实 验研究，考察了波纹纵横比、波纹倾角对流动与换热的影响，实验发现波纹倾角越大， 热质转换越好，同时也会引起很大的压力损失，他们认为上述现象是流动中的强漩涡流 动以及流动分离所引起的，实验结果与平直通道相比，换热明显提高。 s u n d e l l 和t r o l l h e d e n n 】通过实验，对三角型波纹通道和平直通道在$ 0 0 1 0 0 之后，通道内产生的漩涡所引起的自由剪切层强 化了流体间的混合，使得换热与阻力均有所增加。波纹通道的相对节距对换热与阻力的 影响因雷诺数船的不同而有所不同，并在所计算范围内给出相对节距为4 的通道性能 最佳。 w a n g 和v a n k a 1 9 1 对相位为18 0 0 的周期性波纹通道的流动和换热进行数值研究，当 雷诺数r e 1 8 0 时，通道内流体的流动稳定，随着r p 的增加，通道内出现自维持振动现 象，扰乱了层流热边界层，导致传热量提高。在稳流区域时，波纹通道的平均努谢尔特 数胁稍高于平直通道，阻力系数厂是平直通道的2 倍多，然而在过渡区域，换热比平 直通道提高了2 5 倍，但阻力系数基本保持恒定不变。 w a n g 和c h e n l 2 0 通过简单的坐标变换法及稳定交替方向隐式法，通过数值模拟分析 二维正弦渐扩渐缩通道的几何因子，雷诺数及普朗特数对流动阻力系数及努谢尔特数 的影响。模拟结果显示，局部努谢尔特数随着雷诺数与波纹振幅的增加而增加。 z h a n 9 1 2 1 】等通过模拟恒壁温下正弦型波纹板的二维层流流动与换热，分析了波纹纵 横比丫及间距比对换热和阻力的影响。随着雷诺数m 和波纹纵横比丫的增加，波纹 壁面波谷处产生的横向涡不断增加并且包围更多的主流区流体，流体内部的剧烈混合、 扰动进一步促进了涡的这种流动状态。在间距比较小时，通道内的黏性力占主导地位， 流动呈现出充分发展的流态；随着间距比的增加，黏性力的影响减弱，在波纹通道的波 峰与波谷处有漩涡生成，随着r p 、丫及的增加，漩涡不断长大，使得附近流体的混合 加强，主流区流体流速加大，换热提高，同时阻力也增加。并通过优化性能因子办厂给 出了最优的性能通道。 徐佳莹和王秋旺1 2 2 1 等人采用s i m p l e 算法，对周期性渐扩一渐缩通道的层流流动与 换热进行数值模拟。拟合得到阻力系数及换热数与雷诺数之间的指数关系式，并与平板 通道的阻力及换热结果比较，在雷诺数相同时，通道的阻力及换热都有所增加，但换热 强度的增加更大些。 1 4 板式换热器的性能评价标准 板式换热器由于较好的换热效果，紧凑的结构及实际应用中清洗方便，已在工业生 产及生活中得到了广泛的应用。因而，对板式换热器的研究越来越多。换热器设计的原 则就是以最小的压力损失为代价能够获得最高的换热效率。因而，板式换热器的性能优 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 越，主要体现在总传热系数与压力损失大小这个两个方面，需要对换热器的综合性能进 行评价。根据换热器设计目的的不同，有多种评价标准。最早对换热器进行性能评价都 采用单一的参数，例如总传热系数k 和总压降a p 。这两个参数均与流体的流速有关， 故一般工程上采用在特定的参考流速下比较换热系数和压降。因为热量输出总是和换热 系数大小成正比，所以换热强化比n u n u o ( 0 表示平行通道) 成为较早的评价标准。此 法简单直观，但仅从能量利用这一方面考虑，不够全面。 新型换热器并不是简单追求高换热量，而是将阻力与传热一起考虑。因而新的评价 准则应用而生，综合性能因子。，厂作为换热器的评价标准是其中一种。本文即采用j ；：纩来 评价换热器通道的性能，的值越大，通道的换热性能越优越。 1 5 本文研究的主要内容 基于上述的研究现状，本文主要研究内容如下： 1 考虑入口效应对流动及换热的影响，确定入口段与充分发展段之间的过度区域； 2 通过数值模拟二维三角型波纹板流道结构，运用c f d 软件分析流体在不同结构型 式的波纹板通道内的流动和换热情况；针对湍流流动下的速度场，温度场，流函数最大 值、壁面剪切应力、努谢尔特数慨、摩擦系数厂以及传热因子，分析不同结构 型式对以上各参数的影响，最后对换热器的综合性能进行评价。 3 数值模拟三维正弦型波纹通道的湍流流动与换热，分析波纹纵横比丫、间距比s 、 截面纵横比0 【对流动与换热的影响。揭示各类通道的换热特性，为寻求换热和流动的最 佳性能提供理论依据。 4 采用非稳态算法，对二维正弦型波纹通道的层流流动及换热进行数值模拟，找出 由稳态流动过渡到非稳态流动的临界雷诺数r p ，并对流体在通道内的流动状态及换热 特点进行分析。 7 垄垦墨王盔兰堡主堡窒生堂垡鲨銮 一 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章数值模拟的理论基础和方法 对板式换热器进行实物实验成本高，时间长，需要大量的人力及物力资源，其中一 些大型换热器以及复杂工况条件下的换热器难以进行实验研究。故近些年来，研究人员 更多的关注于采用计算流体力学( c f d ) 技术来研究板式换热器，将c f d 与实验有机结 合在一起研究板式换热器是一种即高效又经济的研究手段。与传统的实验相比，数值模 拟成本上廉价，运行上速度快，软件所提供的结果分析全面而直观，同时便于操作和使 用，不受环境条件和实验条件的限制，因而在实际研究中得到广泛的应用。 2 1 计算流体力学简介 计算流体动力学( 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 ) 是流体力学的一个分支，计 算流体力学是门交叉性很强的学科，它的理论基础是理论流体力学和计算数学，它通过 计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关信息，实现了用计算机代替试验装置完成 “计算实验 为工程技术人员提供了实际工况模拟仿真的操作平台。它的实现依赖于计 算机软硬件环境，而它的应用则遍及所有与流动现象有关的学科及工程领域：广泛应用 于航空航天、热能动力、土木水利、汽车工程、铁道、船舶工业、化学工程、流体机械、 环境工程等领域。计算流体力学出现于2 0 世纪6 0 年代，经过几十年的发展，已经成为与 理论流体力学和实验流体力学鼎足而立的重要学科。 c f d 可以看作是在流动基本守恒方程( 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。通过数值模拟，研究人员能够得到复杂问题的流场内各 个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时 间的变化过程，确定旋涡的分布情况、空化特性以及脱流区域等。此外，与c a d 联合使 用，还可以对结构优化进行设计。 c f d 方法与理论分析方法、实验测量方法一起构成了对流体流动问题进行研究的完 整体系。图2 1 给出了表示三者相互关系的“三维”流体力学示意图【2 3 j 。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 2 - 1 。三维”流体力学示意图 f i g 2 - 1t h r e e d i m e n s i o n a lf l u i dm e c h a n i c ss c h e m a t i cd i a g r a m 所得结果的普遍性是理论分析方法的优点，由于其结果所得到的各种影响因素明确 而具体，是进行实验研究和验证新的数值算法的理论基础。然而，理论分析常常需要对 抽象和简化计算对象，才有可能得出理论解。尤其是对于非线性问题，只有极少流动问 题能给出解析结果。 实验测量方法作为理论分析和数值计算的基础，它所得到的结果真实、可信，重要 程度显而易见。然而，实验会受到客观条件的制约：如研究模型的尺寸、外界的扰动、 实验人员的安全以及对测量精度的控制等，很多研究难以通过实验获得满意的结果。与 此同时，科研经费、人力和物力的投入以及实验周期长等问题也是实验无法正常展开的 制约条件。 c f d 方法借助计算机对实际问题进行计算模拟，如同在计算机上进行一次物理实验 一样，可以形象地对流动过程进行再现，从而能够避免上述两种方法的弱点。 c f d 技术与传统的实验和理论研究相比，有以下几个优点【2 4 】： ( 1 ) 预见性。采用计算流体力学技术，在设计前期就能够在众多的设计方案中筛 选出最佳的方案，避免了设计过程中的盲目随意性。 ( 2 ) 高效性。前人的研究经验显示，计算流体力学技术的应用能够极大程度地缩 减产品的开发周期，使得设计和生产成本降低，并且能够对生产实践进行有效地指导。 更重要的是计算流体力学技术协同其他计算机工程软件( c a d 、c a e 等) ，同时对问题 进行处理，提高了操作效率。 ( 3 ) 可视性。计算流体力学商用软件包涵了丰富的结果后处理功能，使得研究人 员能够直观、清晰地对复杂流动情况进行可视化研究与分析。 计算流体力学技术近几十年来的快速发展及普及应用，与计算机计算能力的高速发 展息息相关。当前超级计算机使得计算流体力学走出研究机构，走进工程领域来求解实 际的问题，这对于大多数工程项目来说具有重要的意义。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 计算流体力学基础模型包括风口模型、紊流模型、网格自动划分算法、方程求解算 法、方程求解加速方法等。计算流体力学软件主要有商用软件和专用软件。目前比较常 见的商用计算流体力学主要有以下几种：f