高粘度流質(zhì)下管殼式折流板開(kāi)孔換熱器換熱性能的數(shù)值模擬

葉 萌，喻九陽(yáng)，鄭小濤，林 緯，鄭 鵬，高 海

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

高粘度流質(zhì)下管殼式折流板開(kāi)孔換熱器換熱性能的數(shù)值模擬

葉 萌，喻九陽(yáng)，鄭小濤，林 緯，鄭 鵬，高 海

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430205）

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算研究了4塊弓形折流板管殼式折流板開(kāi)孔換熱器在高粘度流質(zhì)下的強(qiáng)化換熱性能。模擬結(jié)果表明，在高粘度流質(zhì)中折流板開(kāi)后換熱器壓力分布比未開(kāi)孔前分布均勻些，溫度分布同樣遵循相似規(guī)律，未開(kāi)孔折流板背根部會(huì)產(chǎn)生滯留區(qū)，并且滯留區(qū)隨著速度的增大而增大，折流板開(kāi)孔后會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生擾動(dòng)作用，從而改善滯留區(qū)，有助于強(qiáng)化傳熱。

折流板開(kāi)孔；強(qiáng)化傳熱；數(shù)值模擬

換熱器廣泛應(yīng)用于能源、石化、制冷空調(diào)、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業(yè)領(lǐng)域中并在其中占有相當(dāng)大的投資比例[1]。通過(guò)改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)和換熱管型以及通過(guò)增加流體的擾動(dòng)來(lái)提高換熱器的換熱效率，對(duì)高效換熱器的設(shè)計(jì)與研發(fā)有很大作用，對(duì)節(jié)能減排與提高能源利用率也有重大意義。管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟、適用面廣，是目前熱力系統(tǒng)中最為常用的換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)形式。

高粘度流體的傳熱在各種工業(yè)過(guò)程中都有廣泛的應(yīng)用，比如消毒殺菌，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的潤(rùn)滑油的冷卻等。然而，高粘度流體的強(qiáng)化傳熱過(guò)程中普遍存在著換熱效率低的特點(diǎn)。因此，如何提高高粘度流體傳熱系數(shù)成了目前傳熱研究的一個(gè)重點(diǎn)[2]。

本文對(duì)高粘度流質(zhì)下管殼式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，利用Fluent軟件對(duì)折流板開(kāi)孔和未開(kāi)孔進(jìn)行流場(chǎng)模擬，研究高粘度流質(zhì)下開(kāi)孔對(duì)換熱效率的影響。

1 分析模型

本模型是模擬高粘度流質(zhì)下四塊折流板管殼式換熱器在開(kāi)孔和未開(kāi)孔的換熱效率，換熱器總長(zhǎng)1 632 mm，管長(zhǎng)1632 mm，換熱管根數(shù)12根，折流板厚度6 mm，管距是42 mm（圖1）。其他的物性參數(shù)如下表1所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation model

表1 流質(zhì)物理性質(zhì)Table 1 Fluid physical properties

2 計(jì)算方法及邊界條件

本文利用Fluent軟件對(duì)換熱器進(jìn)行模擬，分析了其內(nèi)部的溫度分布，壓力分布，并利用軟件對(duì)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行后處理，得到具體的速度流場(chǎng)云圖，為實(shí)驗(yàn)提供了充分的理論基礎(chǔ)。

由于本模型是軸對(duì)稱(chēng)模型，故只需對(duì)模型進(jìn)行二分之一建模，本文利用gambit2.4.6對(duì)模型進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類(lèi)型是t-grid，interval size設(shè)為4，網(wǎng)格數(shù)量為216萬(wàn)。在分析中采用單精度求解器，非耦合穩(wěn)態(tài)隱士求解（simplec），方程選擇為Standard k-e Model（湍流模型）和Standard Wall Functions（標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法）[3]。

邊界條件：

管壁選為wall,溫度設(shè)為293.15 ℃，進(jìn)口選為inletflow，溫度設(shè)為333.15 ℃，出口選為pressure outflow，其他邊界設(shè)為wall。

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中分別分析比較了當(dāng)入口速度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 m/s時(shí)折流板開(kāi)孔和未開(kāi)孔的溫度場(chǎng)，壓力場(chǎng)。并且利用Fluent軟件進(jìn)行了后處理,分別得到對(duì)應(yīng)的溫度，壓力，速度云圖。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文在計(jì)算中選取了多組速度梯度，對(duì)于溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)來(lái)說(shuō)，折流板開(kāi)孔在隨著速度變化時(shí)溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)變化趨勢(shì)比較穩(wěn)定，折流板未開(kāi)孔也同樣符合這個(gè)規(guī)律，故而，就去當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)，溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)云圖來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明。

3.1 溫度場(chǎng)分析

圖2表示的是折流板未開(kāi)孔時(shí)，當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)換熱器的溫度場(chǎng)云圖，圖3表示的是折流板開(kāi)孔時(shí)，當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)換熱器的溫度場(chǎng)云圖。

圖2 未開(kāi)孔折流板換熱器溫度場(chǎng)Fig.2 Temperature distribution of non-perforated baffle

圖3 折流板開(kāi)孔換熱器溫度場(chǎng)Fig.3 Temperature distribution of perforated baffle

對(duì)比可以看出，在折流板背根部分中折流板開(kāi)孔比未開(kāi)孔溫度分布更加均勻，在折流板未開(kāi)孔條件下的換熱器折流板背根部可以明顯觀察到有溫度滯留，不利于換熱[4]。在開(kāi)孔條件下的換熱器折流板背根部溫度場(chǎng)可以明顯觀察到有一定的溫度梯度產(chǎn)生，說(shuō)明開(kāi)孔有利于熱量的交換。

3.2 壓力場(chǎng)分析

圖4表示的是折流板未開(kāi)孔時(shí)，當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)換熱器的壓力場(chǎng)云圖，圖5表示的是折流板開(kāi)孔時(shí)，當(dāng)速度為0.5 m/s時(shí)換熱器的壓力場(chǎng)云圖。可以從圖4中看出以折流板未開(kāi)孔時(shí)以折流板為界，壓力分布呈現(xiàn)塊狀分布，明顯分布不均勻。圖5中可以看出壓力分布比未開(kāi)孔時(shí)壓力分布均勻一些，說(shuō)明折流板開(kāi)孔后壓力有所降低，這樣對(duì)外界的動(dòng)力要求就降低了，有助于節(jié)能。但本文只討論了折流板數(shù)為4的情況，具體的一些分析有待進(jìn)一步研究。

圖4 未開(kāi)孔折流板換熱器壓力場(chǎng)Fig.4 Pressure distribution of non-perforated baffle

圖5 折流板開(kāi)孔換熱器溫度場(chǎng)Fig.5 Pressure distribution of perforated baffle

3.3 速度場(chǎng)分析

如圖6:a,b,c所示，在折流板未開(kāi)孔的情況下，折流板背根部產(chǎn)生滯留區(qū)，并且隨著速度的增大滯留區(qū)也呈增大趨勢(shì)，因?yàn)樵谡哿靼灞掣慨a(chǎn)生了滯留區(qū)，導(dǎo)致了溫度的和壓力的上分布不均勻，當(dāng)折流板開(kāi)孔后，如圖6:d,e,f，從孔部分有一部分垂直與主流體方向的射流[5]，由于射流的產(chǎn)生，折流板背根部的滯留區(qū)的隨之打破，加快了背根部流體的流動(dòng)，增大了換熱量。同時(shí)也正是由于滯留區(qū)的破壞從而使溫度和壓力場(chǎng)的分布變得更加均勻，有助于強(qiáng)化傳熱。

圖6 折流板換熱器速度云圖Fig.6 Velocity distribution of heat exchanger with baffle

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)在高粘度流質(zhì)下折流板開(kāi)孔與未開(kāi)孔換熱器的傳熱效率進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:

（1）高粘度流質(zhì)中折流板背部同樣存在滯留區(qū)，正因?yàn)槿绱水a(chǎn)生了溫度壓力分布的不均勻。

（2）折流板開(kāi)孔相比較于未開(kāi)孔，其溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)均比未開(kāi)孔時(shí)要分布均勻些，同時(shí)由于開(kāi)孔后產(chǎn)生了射流，加速了流體在折流板背根部的擾流作用，進(jìn)而對(duì)提高傳熱效率有一定的積極作用。

（3）本文只研究了四塊折流板的情況，有關(guān)于壓降的分析有待進(jìn)一步加強(qiáng)，筆者接下來(lái)會(huì)對(duì)高粘度流質(zhì)下折流板壓降變化進(jìn)行分析。

［1］林宗虎.強(qiáng)化傳熱及工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

［2］丁聰.高粘度流體的傳熱強(qiáng)化研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2012,31:416-419.

［3］王為良.管殼式換熱器殼側(cè)流場(chǎng)數(shù)值模擬[D].北京：中國(guó)石油大學(xué),2010.

［4］鄭小濤，徐成.油封低溫冷卻器折流板開(kāi)孔的傳熱性能[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2012,34(9):62-65.

［5］喻九陽(yáng)，徐成.低溫油封冷卻器折流板開(kāi)孔性能機(jī)理研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2014,35(2):371-374.

Numerical Simulation on the Performance of the Heat Exchanger With Perforated Baffle in High Viscosity Fluid

YE Meng，YU Jiu-yang，ZHENG Xiao-tao，LIN Wei，ZHENG Peng，GAO Hai
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The performance of heat exchanger with 4 baffles and 4 perforated baffles in high viscosity fluid was studied by numerical simulation. The results show that the pressure distribution of the heat exchanger with perforated baffles is more uniformity than that with non-perforated baffles, and so does the temperature distribution; there exists a stagnant zone at the back of the baffles, and the stagnant zone increases with the increase of the velocity. There will be an effect of disturbance when the baffle is perforated, which can improve the stagnant zone to enhance the heat transfer.

Perforated baffle; Heat transfer enhancement; Numerical simulation

TQ 051

A

1671-0460（2015）01-0212-03

2014-07-08

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，研究生在讀，研究方向：化工過(guò)程機(jī)械。E-mail：137592302@qq.com。