【《翅片管换热器模型概述》3200字】

翅片管换热器模型概述目录TOC\o"1-3"\h\u15567翅片管换热器模型概述 189331.1物理模型的建立 1251721.2数学模型 365031.3计算区域的选取 5298851.4网格的划分 5325111.5边界条件 6290841.6网格无关性验证 7294471.7计算所用到的参数 81.1物理模型的建立本文研究的翅片管式换热器主要基于一种利用汽车尾气余热给车内供暖的系统，该供暖系统主要包括吸气机、尾气交换器、车窗循环系统和汽车空调系统。系统结构图如图2-1所示，此系统可以充分利用汽车发动机运行时排气管所排放的尾气余热对空气进行加热，将热空气通过管道一端通入汽车空调系统，使汽车在冬天时可以通过发动机在正常运行状态下给车内供暖，提高车内乘客乘车舒适性；一端通入前挡风车窗循环系统，在汽车运行过程中起到除霜的作用，提高驾驶安全性。图2-1尾气余热利用供暖系统结构图尾气交换器作为该余热利用系统的重要组成部分，其换热性能的高低直接决定了该系统对汽车尾气余热的利用效率。本文主要对该系统尾气换热器进行优化设计，新设计的尾气换热器由四排铜管串联组成，翅片采用铝翅片，每排翅片管的翅片形状、大小以及间距一定。其整体示意图如图2-2（a）所示，汽车尾气经排气管从N3口流入，与翅片和铜管发生强制对流换热后由N4口流出；外界冷空气经吸气机吸入后从N1口流入，与铜管进行对流换热再从N2口流出。（a）翅片管换热器整体示意图（b）换热器管排剖面图（c）翅片管换热器局部示意图图2-2翅片管换热器结构示意图在管束排列方式上，主要有顺排与叉排两种形式，叉排时流体在管间交替收缩和扩张的弯曲流道中流动，比顺排时在管间走廊通道的流动扰动更剧烈，因此一般来说叉排时的换热比顺排时较强烈，故本文所采用的排列方式为叉排。如图2-2（b）所示为换热器管排剖面图。在该翅片管换热器中，管排数为N，单程管长度为S，换热管的纵向间距为x，横向间距为y。如图2-2（c）所示为换热器局部示意图，其翅片间距为，翅片厚度为t，一个翅片单元厚度为s。其具体结构尺寸如表2-1所示。表2-1翅片管换热器具体尺寸结构参数参数值横向管间距x(mm)80纵向管间距y(mm)40翅片间距(mm)7翅片厚度t（mm）2翅片单元厚度s（mm）9管排数N4单管程长度S（mm）1801.2数学模型流动及换热作为各个工程领域广泛存在的现象，必须要遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律这三个基本法则，满足连续性方程、动量方程和能量方程。各控制方程表达式如下：连续性方程按照质量守恒定律，单位时间内流入控制体的体积流量和流出控制体的体积流量应相等。在直角坐标系下，方程表达式为：（2-1）对于定常不可压缩流体，其ρ为常数，则表达式简化为：（2-2）其中，ρ——流体密度——时间u、v、w——点（x,y,z）处的速度分量（2）动量守恒方程动量守恒方程规定任何控制体中流体动量对时间的变化率等于外界作用在微元上各种力之和，在直角坐标系中，其方程表达式为（1.3）（1.4）（1.5）其中，Δ——拉普拉斯算子ρ——流体密度p——压力——动力粘度系数u、v、w——点（x,y,z）处的速度分量X、Y、Z——点（x,y,z）处的外力分量（3）能量守恒方程能量守恒方程描述的是热力学第一定律的方程，其数学表达式为：（1.6）其中，cpT——热力学温度λ——导热系数1.3计算区域的选取本文研究的翅片管式换热器具有对称性，为了方便计算，需对模型进行简化处理，选取一个翅片单元（即一个翅片与翅片两侧各一半的流动空间）为计算区域。由于尾气的入口效应会对翅片区域入口的尾气流动造成影响，同时为了防止出口回流的影响，因此分别在进口、出口区域设置了长度为80mm和100mm的延长区。由于简化后的模型较简单，本文通过ANSYSICEM自带的功能进行建模，并对各个壁面进行part的命名。计算区域模型如图1.3所示。图2-3计算区域示意图1.4网格的划分本文通过ANSYSICEMCFD软件对模型进行网格的划分，和其他网格划分软件相比，ICEM在结构化网格划分方面拥有较强的优势，并且应用很广泛。由于本文所建立的翅片模型形状规则，故对其采用结构化网格划分。首先通过建立好的几何模型建立一个整体的块（block），设定其为fluid；再根据翅片的形状及位置对块进行切割，对于圆管要将其进行Ogrid型切分，再对划分好的块进行关联，并将多余的块删除。由于在计算区域中有固体域和流体域，需要根据翅片和圆管的位置将已经关联好的块进行固体域的设定。之后进行网格尺寸的设定，控制全局最大网格尺寸不超过3mm，由于翅片表面有边界层，需要对其进行网格加密，并且还需要对翅片厚度进行适当加密，局部网格尺寸设置好之后，进行网格更新，观察网格质量，得出网格质量分布如表1.2。网格质量都大于0.7，满足计算条件，可以进行计算。对所选计算域网格划分示意图如图2-4所示。最后将结构化网格转化为非结构化网格并导出mesh。表2-2网格质量分布网格质量网格数量质量占比（%）0-0.75000.75-0.8600.0260.8-0.8533241.4550.85-0.92676811.7160.9-0.955685424.8840.95-1.014147461.919（a）计算域整体网格划分示意图（b）翅片区域网格划分示意图图2-4网格划分示意图1.5边界条件实际的翅片管换热器流动换热过程极其复杂，因此为了简化计算过程，缩短计算周期，在进行数值模拟之前对模型做如下假设：假定流体不可压缩，在计算条件下物性参数为常数不考虑辐射换热流体在翅片通道间的流动为湍流稳态边界条件设定如下，示意图如图2-5所示（1）进口边界设置为速度边界条件，温度设定为623K;（2）出口边界设置为压力出口；（3）换热管内壁面温度设定为恒定温度323K；（4）烟气流体与翅片和换热管之间的接触面设定为流固耦合交界面；（5）左右侧面为对称边界条件；（6）上下壁面设定为绝热边界条件；图2-5边界条件示意图除了需要对边界条件进行设定之外，利用ANSYS中fluent软件进行数值计算是还需要对计算模型、求解器、算法、残差等进行设定。本文计算模型选择湍流模型中的标准k-ε模型，由于计算过程存在传热与流动的问题，需要打开能量方程；本文选择离散求解器，数值模拟方法采用有限体积法，离散格式为二阶迎风格式；对于本文所建立的模型，选择SIMPLE算法进行计算，压力松弛因子设定为0.3，密度松弛因子和体积力松弛因子设定为0.8，动量松弛因子设定为0.7，能量松弛因子为1；残差值的设定为能量方程残差值小于10−6，动量方程残差值小于101.6网格无关性验证在利用ANSYS软件进行数值模拟计算的过程中，处了网格质量对计算结果有着较大的影响，网格数量也对计算结果精度有着较大影响。从理论而言，进行数值计算的网格密度越大，计算精度越高，结果越准确，但是如果网格数量太过密集，会加大计算机计算量，增加计算时间；但是如网格数量过于稀少，虽然会降低计算量，减少计算时间，但是计算结果会有较大偏差。因此，为了同时满足对计算精度和计算量的要求，需要对网格进行无关性验证，从而选取合适的网格数量进行数值计算。本节选取最大网格尺寸分别为3mm、1.7mm、1.4mm、1.1mm、1.8mm、1.5mm对模型进行网格划分，之后再导入fluent软件，设置相同的边界条件并且保持迭代步数一致，最后计算Nu，得到Nu与网格尺寸的关系如图2-6所示。图2-6Nu与网格尺寸的关系由图2-6可知，随着最大网格尺寸的减小，网格数量提高，Nu也随之增大。随着尺寸的不断减小，Nu的增加程度逐渐变缓，当网格尺寸由1.1mm减小到1.8mm时，Nu的增加量很小，并且当网格尺寸继续减小时，Nu增长程度很缓慢，可以认为，当网格尺寸为1.7mm时，得到一个独立解，此时网格数量为228480.1.7计算所用到的参数根据本文的研究内容，需要对计算结果进行相应的处理，相关参数的定义如下：努赛尔数Nu：（1.7）h:换热系数d:当量直径λ：流体在定性温度下的导热系数压降Δp:（1.8）Δp:流体进出口压力差pin：流体进口压力pout：流体出口压力阻力系数f:（1.9）ρ:流体密度Um换热因子j:j=NuReP