【板翅式换热器的数值模拟分析案例10000字】

板翅式换热器的数值模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u22702板翅式换热器的数值模拟分析案例 [26]，表示网格尺寸和数量均合理，可以用于计算，否则需要继续加密网格，直到找出最佳的网格数量。在本次研究中，通过改变网格尺寸和数量，共生成了6次网格，网格总数分别为1266969、2556579、3132357、3976584、5017294和5532619，进行网格无关性检验。在FLUENT中，按照文献给出的入口工况进行设置，冷热流体的物性参数设为常数，具体参数按照表1.3中的数值，其他边界条件和算法设置见1.6。保持这一工况不变，对六种不同网格数量的模型分别进行模拟，并记录不同网格数量时换热器中冷热流体的出口平均温度。具体模拟结果如表1.2所示：表1.2网格数量对冷热流体出口平均温度的影响Table1.2Influenceofgridnumberonaveragetemperatureofcoldandhotfluidoutlet网格数量氮气出口平均温度tc液态空气出口平均温度th126696986.4494.76255657986.8294.28313235787.1194.32397658487.3591.94501729487.4091.99553261987.4794.05根据以上数据生成坐标图，如图1.5所示。图1.5网格无关性检验Fig.1.5Gridindependencetest由表1.2和图1.5可知，当网格数量达到3976584时，冷热流体出口温度随着网格数量的增加几乎保持恒定，为保证计算精度，同时为了提高收敛速度，网格数量选择5017294。至此网格生成与检验完毕。1.6FLUENT参数设置1.6.1物性参数设置由于冷热流体在流动与传热的过程中没有发生相变，整个流道内冷热流体压降较小，温度变化不大，可视为是在定压和温度变化范围不大的情况下的换热，同时冷热流体均可简化为不可压缩的牛顿流体。因此冷热流体的物性参数可以看作常数。根据所给文献，氮气在整个流动过程中的平均温度约为85.3K，液态空气的平均温度约为96.05K。具体的物性参数设置见表2.1。1.6.2边界条件设置在开始模拟前，需要在FLUENT中设置合适的边界条件。边界条件将直接影响最后的模拟结果。根据建立的模型，对边界条件进行以下的设置：(1)热流体介质为液态空气，热流体入口设为速度入口，入口流速为0.089m/s，入口温度为99.5K。热流体出口设置为压力出口，平均压力为554kPa。(2)冷流体介质为氮气，冷流体入口设为速度入口，入口流速为4.54m/s，入口温度为80.6K。冷流体出口设置为压力出口，平均压力为123kPa。(3)冷热流体与翅片、隔板的所有相关接触面均为流固耦合壁面。(4)模型的上下左右壁面均设为对称边界条件，从而简化计算。(5)其他边界条件保持系统默认。1.6.3FLUENT求解设置在FLUENT设置时，需要对求解方法进行设置，每种求解方法都有其各自的适用范围，只有设置出合理的求解方法，才能快速准确地得到收敛解。在本次模拟中，具体的求解设置如下：(1)由于几何模型为三维立体结构，故采用三维空间（3D）。(2)在模拟时，将冷热流体视为低速流动的不可压缩流体，在流动过程中流体密度几乎保持不变，所以求解器选择基于压力的求解器（Pressure-Based）。速度选择绝对速度（AbsoluteVelocityFormulation）。(3)由于研究的是换热器在稳定工况下的流动与换热情况，冷热流体的流动可以看作定常流动，因此求解类型选择稳态计算（Steady）。(4)由于涉及到换热，则需打开能量方程（Energy）。同时由于冷流体流动为湍流，还需打开湍流方程（Viscous），湍流方程选择标准k-ε模型(Standardk-epsilon)。(5)在基于压力的求解器中，FLUENT提供了压力-速度耦合的四种算法，即SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled，定常状态计算一般使用SIMPLE或者SIMPLEC算法，过渡计算一般使用PISO算法，而Coupled为耦合算法。在本次模拟中，使用SIMPLE算法。为提高计算精度，在模拟时动量方程和能量方程的离散格式均采用二阶迎风格式（SecondOrderUpwind）。在迭代计算过程中，各参数的亚松弛因子均按照系统默认值。(6)在模拟的过程中，各个参数的残差值将用来判断计算是否收敛。本次模拟中，能量方程的收敛残差值为10-6，其余方程的收敛残差值均为10-3。当所有参数的计算残差值低于设定的收敛残差值时，计算收敛。1.7FLUENT模拟结果与分析在建立的三层模型中，中层流道为热流体通道，上下两层为冷流体通道。在计算收敛后，为了能够最直观地显示出冷热流体的换热过程，建立了热流道的中心截面。图1.6为这一截面上的温度分布云图。图1.6热流体温度分布云图Fig.1.6Temperaturedistributionofthermalfluid从图1.6可以看出，所有热流道的温度变化情况基本相同，这与模型的对称性相吻合。热流体在x轴正方向进入换热器，沿x轴负方向流动，在流动的过程中，热流体的温度不断降低。同时，从温度分度云图中可以看出，在每个流道的中心位置温度最高，越靠近翅片的位置温度越低。由于冷热流体温度差的存在，热流体的热量不断地通过翅片和隔板传递给冷流体，因此冷流体在流动过程中温度不断升高。图1.7为模型上层的冷流体通道中心截面的温度分布云图。图1.7冷流体温度分布云图Fig.1.7Temperaturedistributionofcoldfluid图1.7显示，冷流体通道中的温度也具有对称关系，每个流道中的温度分布情况基本相等。冷流体从x轴负方向进入换热器，沿x轴正方向流动，在流动的过程中，冷流体不断被加热，其温度不断升高。当流体在流道中流动时，由于存在流动阻力，所以流体的出口压力会低于入口压力，即产生一部分压力损失。图1.8和1.9所示分别为热流体和冷流体在流动过程中的压力变化情况。压力分布情况也与几何模型的对称性一致。图1.8热流体压力分布云图Fig.1.8Pressuredistributionofthermalfluid图1.9冷流体压力分布云图Fig.1.9Pressuredistributionofcoldfluid1.8换热器性能模拟与分析本节主要内容为改变模拟时的工况，分析不同的工况条件对于所建立的板翅式换热器基本单元体的工作性能的影响。为了能够更直观地反映工况条件的改变对于换热器的影响，本次模拟采用控制变量法，即保持热流体的所有参数不变，只改变与冷流体有关的参数设置。改变的条件包括冷流体进口速度和工作压力，最后研究了不同翅片材料对于换热器换热效果的影响。1.8.1冷流体流速对换热器性能的影响在模拟时，保持热流体（即液态空气）的进口速度、进口温度和工作压力不变，只改变冷流体（即氮气）的流速，分别用FLUENT模拟冷流体在进口速度为4.54m/s、5m/s、6.5m/s、7m/s和8m/s时的换热器工作情况。在模拟结束后，得到了冷热流体的出口平均温度随冷流体进口速度的变化情况，结果如表1.3所示，将其生成坐标图，如图1.10所示。表1.3冷流体进口速度对冷热流体出口平均温度的影响Table.1.3Influenceofcoldfluidinletvelocityonaveragetemperatureofcoldandhotfluidoutlet冷流体进口速度vc（m/s）冷流体雷诺数Re冷流体出口平均温度tc热流体出口平均温度th4.549874.5787.39691.991510875.0887.01791.8326.514137.6086.42391.061715225.1185.91292.975817400.1285.41792.7041）冷流体出口平均温度变化2）热流体出口平均温度变化图1.10冷流体进口速度对冷热流体出口平均温度的影响Fig.1.10Influenceofcoldfluidinletvelocityonaveragetemperatureofcoldandhotfluidoutlet从图1.10可知，当冷流体的进口速度增加时，由于几何模型尺寸不变，则冷流体的体积流量不断增大，从换热器中带走的来自液态空气的热量也会增多，所以热流体的出口平均温度会不断下降，而冷流体的出口平均温度也会降低。表1.4所示为冷流体压降与流速之间的关系，将其生成坐标图，结果如图1.11所示。由图1.11可知，当冷流体流速增大时，冷流体在流动过程中受到的阻力也会增大，从而使压降增大。表1.4冷流体进口速度对冷流体压降的影响Table1.4Influenceofcoldfluidinletvelocityoncoldfluidpressuredrop冷流体进口速度vc冷流体雷诺数Re冷流体压降∆p（Pa）4.549874.5778.930510875.0892.4556.514137.60147.343715225.11168.479817400.12214.249图1.11冷流体进口速度对冷流体压降的影响Fig.1.11Influenceofcoldfluidinletvelocityoncoldfluidpressuredrop表1.5所示为单元体热负荷和传热系数与冷流体进口速度之间的关系，生成坐标图后如图1.12和1.13所示。由图可知，当冷流体流速越大时，换热越剧烈，传热效果越好，则单元体热负荷和传热系数也都会随之升高。但是流速增大时压降增大，这也意味着换热器在运行的过程中能耗提高。因此，在实际的工业生产中，需要在压降允许的情况下尽可能地提高流速，以此来达到最好的换热效果。表1.5冷流体进口速度对单元体热负荷和换热系数的影响Table1.5Influenceofinletvelocityofcoldfluidonunitheatloadandheattransfercoefficient冷流体进口速度vc冷流体雷诺数Re单元体热负荷Q（W）冷侧传热系Kc（W/(m2热侧传热系数Kh（W/(m24.549874.5759.59564.361268.909510875.0861.66065.984275.6906.514137.6067.14472.343302.261715225.1170.01374.239310.183817400.1272.82676.652320.266图1.12冷流体进口速度对单元体热负荷的影响Fig.1.12Influenceofinletvelocityofcoldfluidonunitheatload1）冷侧传热系数变化2）热侧传热系数变化图1.13冷流体进口速度对传热系数的影响Fig.1.13Influenceofcoldfluidinletvelocityonheattransfercoefficient1.8.2冷流体工作压力对换热器性能的影响保持冷热流体的进口温度和进口速度不变，只改变冷流体的工作压力，分别在FLUENT中模拟冷流体的工作压力为123kPa、150kPa、180kPa、200kPa和210kPa时的换热器工作情况，表1.6所示为冷流体工作压力对于冷热流体出口平均温度的影响，生成坐标图后如图1.14所示。表1.6冷流体工作压力对冷热流体出口平均温度的影响Table1.6Influenceofworkingpressureofcoldfluidonaverageoutlettemperatureofcoldandhotfluid冷流体工作压力p（kPa）冷流体雷诺数Re冷流体出口平均温度tc热流体出口平均温度th1239874.5787.39691.99115012117.3586.53591.50618014645.7285.83192.99520016354.2585.54592.67721017215.4085.23092.4991）冷流体出口平均温度变化2）热流体出口平均温度变化图1.14冷流体工作压力对冷热流体出口平均温度的影响Fig.1.14Influenceofworkingpressureofcoldfluidonaverageoutlettemperatureofcoldandhotfluid由图1.14可知，随着冷流体工作压力的增大，冷流体的质量流量也会随之增大，其带走的热量增多，所以冷热流体的出口平均温度都会降低。表1.7和图1.15所示为冷流体压降与工作压力之间的关系。由图可知，当冷流体工作压力增大时，其流动过程中产生的压降也会增大。表1.7冷流体工作压力对冷流体压降的影响Table1.7Influenceofworkingpressureofcoldfluidonpressuredropofcoldfluid冷流体工作压力p（kPa）冷流体雷诺数Re冷流体压降∆p（Pa）1239874.5778.93015012117.3590.99418014645.72106.91920016354.25116.07921017215.40121.005图1.15冷流体工作压力对冷流体压降的影响Fig.1.15Influenceofworkingpressureofcoldfluidonpressuredropofcoldfluid表1.8所示为单元体热负荷和传热系数与冷流体工作压力之间的关系，生成坐标图后如图1.16和1.17所示。由图可知，当冷流体工作压力越大时，单元体热负荷和传热系数会随之升高。正因为如此，工业生产过程中空分用板翅式换热器中的流体压力往往都远高于大气压。表1.8冷流体工作压力对单元体热负荷的影响Table1.8Effectofworkingpressureofcoldfluidonunitheatload冷流体工作压力p（kPa）冷流体雷诺数Re单元体热负荷Q（W）冷侧传热系Kc（W/(m2·热侧传热系数Kh（W/(m21239874.5759.59564.361268.90915012117.3564.93369.048288.49218014645.7269.66771.592307.47820016354.2572.79177.058321.96121017215.4074.88178.936329.806图1.16冷流体工作压力对单元体热负荷的影响Fig.1.16Effectofworkingpressureofcoldfluidonunitheatload1）冷侧传热系数变化2）热侧传热系数变化图1.17冷流体工作压力对传热系数的影响Fig.1.17Influenceofworkingpressureofcoldfluidonheattransfercoefficient1.8.3翅片材料对换热器性能的影响由于不同种类的金属材料具有不同的导热性能，所以板翅式换热器的换热性能也会受到翅片材料的影响。在实际的工业生产过程中，根据适用场合的不同，翅片所用的材料也多种多样，其中以铝制翅片使用最多，其次为不锈钢翅片及铜制翅片。三种材料的物性参数如表1.9所示。表1.9不同材料的物性参数Table1.9Physicalparametersofdifferentmaterials物性参数铝不锈钢铜导热系数λ，W/(m·K)202.416.27387.6定压比热CP871502.48381密度ρ，kg/m³271980308978在前面的研究过程中，翅片材料均为铝制翅片，现在改变翅片的材料，用FLUENT模拟在使用不锈钢翅片和铜制翅片时换热器的换热情况，并将模拟结果与之前的铝制翅片的结果进行对比。表1.10和表1.11分别为使用不锈钢翅片和铜制翅片时冷热流体的出口平均温度与冷流体进口速度的关系，综合表1.10、表1.11和表1.3，并将其生成坐标图，结果如图1.18所示。由图1.18可知，随着冷流体进口速度的增大，使用三种不同材料的翅片时，冷热流体的出口平均温度都有所降低。在冷流体的入口速度相同时，使用铜制翅片时冷流体出口平均温度最高，热流体的出口平均温度最低，即铜制翅片可以使冷热流体的进出口温度产生最大的改变，其次是铝制翅片，而使用不锈钢翅片时冷热流体的温度变化很小。另外，使用铝制翅片和铜制翅片时冷热流体的温度变化量非常接近。表1.10使用不锈钢翅片时冷流体进口速度对冷热流体出口平均温度的影响Table1.10Effectofinletvelocityofcoldfluidonaverageoutlettemperatureofcoldandhotfluidwithstainlesssteelfins冷流体进口速度vc冷流体雷诺数Re冷流体出口平均温度tc热流体出口平均温度th4.549874.5784.67796.230510875.0884.42196.1396.514137.6081.92295.852715225.1181.66595.753817400.1281.36695.562表1.11使用铜制翅片时冷流体进口速度对冷热流体出口平均温度的影响Table1.11Effectofinletvelocityofcoldfluidonaverageoutlettemperatureofcoldandhotfluidwithcopperfins冷流体进口速度vc冷流体雷诺数Re冷流体出口平均温度tc热流体出口平均温度th4.549874.5787.62591.832510875.0887.24891.6336.514137.6086.56492.698715225.1186.11792.665817400.1285.61992.3581）冷流体出口平均温度变化2）热流体出口平均温度变化图1.18不同翅片材料下冷流体进口速度对冷热流体出口平均温度的影响Fig.1.18Effectofinletvelocityofcoldfluidonaverageoutlettemperatureofcoldandhotfluidwithdifferentfinmaterials表1.12所示为使用不锈钢翅片和铜制翅片的翅片时冷流体压降与冷流体进口速度之间的关系，综合表1.4和表1.12中的数据，得到图1.19。由图可知，当冷流体进口速度增大，使用三种材料的翅片时冷流体在流动过程中产生的压降都会增大，且三种翅片所产生的压降数值非常相近。表1.12不同翅片材料下冷流体进口速度对冷流体压降的影响Table1.12Effectofinletvelocityofcoldfluidonpressuredropofcoldfluidwithdifferentfinmaterials冷流体进口速vc冷流体雷诺数Re使用不锈钢翅片时冷流体压降∆p（Pa）使用铜制翅片时冷流体压降∆p（Pa）4.549874.5778.19878.976510875.0891.49892.2866.514137.60142.706146.698715225.11162.013168.479817400.12201.744212.689图1.19不同翅片材料下冷流体进口速度对冷流体压降的影响Fig.1.19Effectofinletvelocityofcoldfluidonpressuredropofcoldfluidwithdifferentfinmaterials表1.13所示为使用不同材料的翅片时单元体热负荷与冷流体进口速度之间的关系，综合表1.5和表1.13中的数据，可以得到图1.20。表1.13不同翅片材料下冷流体进口速度对单元体热负荷的影响Table1.13Effectofinletvelocityofcoldfluidonheatloadofunitbodyunderdifferentfinmaterials冷流体进口速vc冷流体雷诺数Re使用不锈钢翅片时单元体热负荷Q（W）使用铜制翅片时单元体热负荷Q（W）4.549874.5778.19878.976510875.0891.49892.2866.514137.60142.706146.698715225.11162.013168.479817400.12201.744212.689图1.20不同翅片材料下冷流体进口速度对单元体热负荷的影响Fig.1.20Effectofinletvelocityofcoldfluidonheatloadofunitbodyunderdifferentfinmaterials表1.14和表1.15分别为使用不锈钢翅片和铜制翅片时冷热流体侧的传热系数与冷流体进口速度的关系，综合表