板式換熱器綜合性能的多場協(xié)同分析

張玉鋒,李旭圓,賈令劍（.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司;　.華能煙臺發(fā)電有限公司,山東　煙臺　64006）

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板式換熱器綜合性能的多場協(xié)同分析

張玉鋒1,李旭圓2,賈令劍1
（1.煙臺龍源電力技術(shù)股份有限公司;2.華能煙臺發(fā)電有限公司,山東煙臺264006）

摘 要：對BR0.015F型特定結(jié)構(gòu)板式換熱器實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬方法和多場協(xié)同原理，對板式換熱器的流動和傳熱性能進(jìn)行了分析。計算結(jié)果表明：速度場、速度梯度場、壓力梯度場協(xié)同原理同樣適用于湍流情況；速度和壓力梯度的夾角與速度和速度梯度的夾角都可以說明換熱器流動阻力的變化趨勢。

關(guān)鍵詞：多場協(xié)同；板式換熱器；湍流；數(shù)值計算

0　引言

對于板式換熱器研究的試驗(yàn)和數(shù)值分析，馬學(xué)虎等[1]分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論系統(tǒng)地分析了影響特定結(jié)構(gòu)板式換熱器流動與換熱的三個重要波紋板片參數(shù)：波紋夾角、波紋高度和波紋節(jié)距。蔡毅等[2]建立了與特定結(jié)構(gòu)波紋板片實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的冷熱雙流道物理模型，比較準(zhǔn)確的反應(yīng)換熱器內(nèi)流體的流動與換熱特性。徐志明[3]等通過數(shù)值模擬對BR0.015F型換熱器進(jìn)行流體的流動和傳熱分析，得出兩側(cè)流動非常不均勻，單側(cè)能出現(xiàn)明顯傳熱“死區(qū)”的結(jié)論。何雅玲等[4]從能量方程式為計算依據(jù)，著重分析了速度場和壓力場的協(xié)同性，為板式換熱器的更好換熱提供了理論支持。

1　換熱器數(shù)值計算模型

物理模型參考東北電力大學(xué)熱能實(shí)驗(yàn)室BR0.015F型板式換熱器結(jié)構(gòu)尺寸，建立逆向流動雙通道物理模型。 物理結(jié)構(gòu)形式如表1：

表1　　　　　　　　　

數(shù)值計算采用RNG k-ε湍流模型，此模型的理論模擬基礎(chǔ)為通用形式的能量控制方程式。入口采用速度入口條件，其數(shù)值由試驗(yàn)計算得出，溫度采用物理試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)；出口采用壓力出口條件，其出口表壓為試驗(yàn)計算得出。冷熱流道接觸面設(shè)為換熱面，其余各面設(shè)為絕熱邊界條件。

數(shù)值模擬軟件采用FLUENT，網(wǎng)格劃分利用FLUENT前置軟件Gambit，將模型分割為進(jìn)出口，在兩端采用網(wǎng)格加密，其余換熱區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格劃分，在貼壁區(qū)域和物理擴(kuò)散區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，可以較好滿足計算精度。

2　計算結(jié)果和場協(xié)同原理分析

2.1傳熱計算結(jié)果分析

在 Re=70～950范圍內(nèi)，特定結(jié)構(gòu)板片的努賽爾特數(shù)隨著波紋傾斜角度的增加不斷增加，波紋傾斜角度在72度之前，摩擦阻力系數(shù)隨角度增加不斷增加，到達(dá)72度之后基本保持平穩(wěn)，與W.W.Focke的試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2.速度場與溫度場協(xié)同分析

2.3速度場與壓力場協(xié)同分析

速度場與壓力梯度場夾角平均值θm與Re的關(guān)系，隨著波紋傾斜角δ的增大，其θm值隨著數(shù)的增加而減小，且減小的趨勢逐漸變緩，速度場和壓力場的協(xié)同性逐漸變差，壓力梯度的作功能力下降，產(chǎn)生的壓降增大，表明場協(xié)同角θ同樣適用于湍流流動。

2.4速度場與速度梯度場協(xié)同分析

通過二維平行通道層流換熱邊界層動量守恒方程推導(dǎo)出歐拉數(shù)Eu與無因次速度與速度梯度的點(diǎn)積的關(guān)系式。認(rèn)為速度場與速度梯度場的夾角α越大，則點(diǎn)積U?ΔU越小，歐拉數(shù)Eu越小，速度場與速度梯度場的協(xié)同越差，流體的流動阻力越小。

3　計算方法驗(yàn)證

本文采用BR0.015 F 型特定結(jié)構(gòu)板式換熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對計算模型進(jìn)行驗(yàn)證，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)計算結(jié)果誤差值均在2%到6%之間，說明計算模型能夠反映換熱器內(nèi)部流體換熱情況，本文所述計算模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，可以為更多的相似物理結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)行理論指導(dǎo)。

4　結(jié)論

（1）在湍流情況下，速度場、速度梯度場、壓力梯度場協(xié)同原理同樣適用。

（2）速度與壓力梯度場的協(xié)同原理以及速度與速度梯度的協(xié)同原理都可以闡釋流動阻力的變化機(jī)理與趨勢，當(dāng)傾斜角δ>72°時，速度與壓力梯度場協(xié)同原理能夠更真實(shí)的反映流動阻力的變化。

（3）傾斜角δ=80°時，速度場、溫度梯度場協(xié)同較好；傾斜角δ=30°時，速度場、壓力梯度場協(xié)同較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬學(xué)虎,林樂,蘭忠等.低Re下板式換熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究及熱力學(xué)分析[J].熱科學(xué)與技術(shù),2007,6(01):38-44.

[2]菜毅.板式換熱器性能的數(shù)值模擬研究核試驗(yàn)研究[D].北京:北京化工大學(xué),2007.

[3]徐志明,王月明,張仲彬.板式換熱器性能數(shù)值模擬研究[J].動力工程學(xué)報,2011,3(01):198-202.

[4]何雅玲,雷Re,田麗亭等.高效低阻強(qiáng)化換熱技術(shù)的三場協(xié)同性探討[J].工程熱物理學(xué)報,2009,30(11):1904-1906．

作者簡介：張玉鋒（1978-），男，山東曲阜人，碩士研究生，工程師，研究方向：熱能動力工程。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.230