基于Fluent的板式換熱器氣體流動數值模擬

盧芳 常春梅 唐海 姚立影

(上海藍濱石化設備有限責任公司）

基于Fluent的板式換熱器氣體流動數值模擬

盧芳*常春梅 唐海 姚立影

(上海藍濱石化設備有限責任公司）

針對板式換熱器通道內的氣體流動建立了Fluent計算模型。采用3種不同的計算模型，分別計算了通道內空氣流速為14～24 m/s時的流動狀態以及壓降。建立了板式換熱器通道的試驗平臺，將數值模擬結果與試驗結果進行對比。對比結果表明，采用RNG κ-ε湍流模型的計算結果與試驗值最為接近，其壓降誤差為4.3%～7.5%。

板式換熱器 數值模擬 壓降 氣體流動 風速

0 前言

板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設備，其應用幾乎涉及到所有的工業領域，且其類型、結構和使用范圍還在不斷發展，因此人們紛紛對板式換熱器內流動狀態和換熱機理展開研究[1]。

在板式換熱器的換熱過程中，流體的流動狀態、流動方向、流量大小、流程組合等影響著換熱的進行，影響著實際的換熱系數的大小[2-4]。對于板式換熱器而言，板型的優化設計是保證其產品換熱效率，減少加工成本的關鍵，因此分析研究板間流體流動對研究板式換熱器的換熱效果具有重要的意義。

目前在工程應用方面，對于板式換熱器的換熱效果，比較常見的測定方式就是試驗。但是采用試驗方法存在著時間長、成本高、試驗條件有限等問題，對于比較大型的板式換熱器這些問題尤為突出。隨著CFD技術的發展和日趨成熟，使得對于流體內部溫度場、壓力場以及速度場分布的研究變得可行[5-8]。

本文利用Fluent軟件，采用了3種湍流模型，模擬了公司自主研發的無觸點板片接觸側的流體流動的情況，并將模擬結果與試驗結果進行對比。通過與試驗結果的對比，最后確定模擬長薄結構型板片并采用相對適合的湍流模型。

1 數值模型的建立

在解決CAD軟件接口問題后，將建立好的二維模型導入到Fluent的前處理模塊Gambit中，并經過處理建立數值模擬計算用的三維模型。

考慮到本次模擬的板片內部結構較為復雜，使得結構化網格的劃分十分困難，尤其是引入邊界層網格之后。在網格劃分中，本文突破常規的非結構化網格劃分方法，采用了分塊結構化網格方法，并引入邊界層網格，對計算域進行網格劃分。模型總共劃分了5 395 485個單元，通過Gambit中網格質量檢查工具的檢查，整個模型網格良好，符合計算要求，如圖1所示。

圖1 計算模型

為了簡化計算過程，減少計算時間，降低計算機運行壓力，對計算模型做了如下假設[9]：

（1）冷側空氣為常壓下不可壓縮流體；

（2）板間通道的流體流動為穩態；

（3）入口空氣均勻分布；

（4）忽略重力對流動的影響。

2 邊界條件設定

本次計算分別采用標準κ-ε湍流模型、RNG κ-ε湍流模型和Realizable κ-ε湍流模型。表1為不同湍流模型的氣體進口速度和通道間流速。

計算區域的邊界條件如下：

（1）入口為速度入口，見表1所示；

（2）出口為壓力出口。

表1 不同湍流模型的氣體進口速度和通道間流速

3 數值模擬結果

圖2、圖3分別為進口速度為8.1 m/s，即通道間空氣速度為14 m/s時，板片內部流體流動的速度矢量分布圖和壓力分布圖。這些圖顯示，板片內部流體分布均勻，也就是說板型結構設計合理。

圖2 板片內部流體流動的速度矢量圖

圖3 板片內部流體的壓力分布圖

4 試驗方法

圖4 試驗裝置

試驗裝置如圖4所示，整個試驗裝置由板片單元、抽風機、出風口、U形管測壓計、空氣進口、一定直徑的圓形鋼管以及試驗平臺組成?？諝庠诔轱L機的作用下從空氣進口進入板片通道，并由出風口排出。空氣的流量由閥門控制，并由轉子流量計測量。試驗平臺現場如圖5所示。

圖5 試驗平臺現場

本次試驗通過U形管測壓計，分別測試了不同風速下板片導流區和換熱區的壓降，測試結果如圖6所示。由圖6可知，隨著風速的增加，板片導流區和換熱區的流動阻力越來越大；風速較小時，風速對壓降的影響較?。伙L速較大時，風速增加壓降急劇上升，流動阻力即壓降受風速的影響較大。

圖6 不同風速下導流區和換熱區的壓降

5 試驗與數值分析

圖7、圖8分別為不同風速下導流區與換熱區壓降變化曲線圖。比較圖7、圖8可以看出，RNG κ-ε湍流模型與試驗結果最為接近，其誤差為4.3%～7.5%。

圖7 導流區壓降隨空氣流速變化曲線

圖8 導流區+換熱區壓降隨空氣流速變化曲線

6 結論

（1）本文利用Fluent軟件對板片間流體進行三維模擬，直觀地描述了流場的分布情況，對板片結構設計提供了一定的參考數據。

（2）在自行研制的試驗臺上對板片導流區和換熱區的壓降進行了試驗研究，試驗結果與數值模擬結果基本吻合，從而驗證了數值模擬的正確性。其中，RNG κ-ε湍流模型與試驗結果最為接近，其誤差為4.3%～7.5%。

[1]欒志堅.波紋幾何參數對人字形板式換熱流動形態的影響機理[J].山東大學學報（工學版），1987,15(4): 35-37.

[2]曲寧.板式換熱器流動與傳熱分析[D].濟南：山東大學，2005.

[3]王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2004:8-10.

[5]王琦，陳雷.數值計算的工程應用研究進展[J].中國電力教育，2005:148-149.

[6]佘德平.數值模擬技術的發展現狀[J].勘探地球物理進展，2003（6）：407-412，422.

[7]楊勇.數值傳熱學在波紋式換熱器上的應用[J].華北電力技術，1999（10）：27-29.

[8]周明連.板式換熱器流動分布的理論分析與實驗研究[J].北方交通大學學報，2001(1)：71-72.

[9]竇國仁.湍流力學（上冊）[M].北京:高等教育出版社，1985:99.

Numerical Simulation of Air Flow in Plate Heat Exchanger by Fluent

Lu FangChang ChunmeiTang HaiYao Liying

The Fluent computing model is built based on the air flow in the plate heat exchanger so that the flow pattern and the pressure drop with the air velocity between the channels of 14 m/s to 24 m/s is calculated under 3 different computing models.Moreover,the experiment platform of the plate heat exchanger is established and the simulation results and the experimental results are compared.It shows that the RNG κ-ε turbulence model has the minimum deviation that the pressure drop error is 4.3%～7.5%.

Plate heat exchanger；Numerical simulation；Pressure drop；Air flow；Air velocity

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.003

2015-12-06)

*盧芳，女，1987年生，工程師。上海市，201518。