計算傳熱學在工程換熱設備傳熱研究中的運用分析

趙征 汪一舟

摘 要：工業現代化趨勢下，機械設備在實踐生產中得到了廣泛應用。其中換熱設備能夠將熱量從熱流體傳遞到冷流體當中，以滿足生產需求。隨著生產技術不斷發展，人們對換熱設備傳熱性能提出了更高要求，將計算傳熱學應用到設備傳熱研究中，能夠提高傳熱效果，且能夠提高產品生產質量。文章從計算傳熱學概念入手，對計算傳熱學在工程應用現狀進行分析，并提出計算熱傳學在實踐應用中未來發展趨勢及方向。

關鍵詞：計算傳熱學；工程換熱設備；傳熱研究；運用

隨著社會經濟不斷發展，我國各領域得到了長足發展。計算傳熱學作為一門新興學科，主要涉及熱傳導、對流傳熱等內容，為工程換熱設備傳熱研究提供了極大的支持。在實踐應用中，將計算技術、仿真技術有機整合到一起，能夠根據具體情況實現良好的熱能交換，提高生產有效性。

1 計算熱傳學概述

所謂計算熱傳學，是指對流動與傳熱問題的控制方式，并利用數值解值法對計算機進行求解的一門學科。它主要是研究傳熱學四大模塊，即熱傳導、對流傳熱及輻射傳熱等內容，其中流體力學理論與成果是學科研究的重要前提和基礎。計算傳熱學發展之前，受到計算方法、硬件發展的限制，使得研究停留在單元熱傳遞方面，沒有實現進一步拓展[1]。隨著科學技術不斷發展，針對大型、復雜流動換熱設備物流過程給予了更多關注和研究，在很大程度上突破了以往研究局限性，促進學科研究邁向全新的領域和方向。

2 計算傳熱學在工程應用現狀

自上個世紀30年代以來，Thom首次利用手搖計算機完成外掠圓柱流動數值計算，為計算傳熱學規模化應用提供了極大的支持。隨著計算機技術快速發展，越來越多的學者對計算傳熱學實際應用產生興趣，并集中對換熱設備內部流動與傳熱耦合問題進行了深入研究。如B.M.Burnside構建再熱鍋爐二維數值計算模型，通過數值計算，結合實驗研究結果能夠對鍋爐流動、溫度分布及流動損失進行了分析。由于鍋爐結構較為復雜，在計算時，選擇R113余正戊烷作為介質，以此來提高計算有效性。通過計算鍋爐內部介質流速分布、熱流率等參數，能夠為鍋爐設計和制造提供科學依據。德國學者利用2D、3D計算機流動模擬模型等分析介質流動與流動尾跡振動激勵耦合問題。同時，美國學者通過對單列帶翅管式換熱器可視化進行研究，借助翅片之間的距離實現了無量綱化。

在國內，針對計算傳熱學的研究取得了豐富的成果，如華中理工大學結合導熱三維溫度數值計算等特點，設計并制定了顏色紋理法可視化方案，能夠實現對導熱全過程的監督和控制。浙江大學對燃燒鍋爐內NOx生成機理的研究，簡化了模型結構，并計算出三維數值，將計算結果與實驗結果進行比較，發現二者具有較好的契合度。國內對于傳熱的研究多以計算流體力學為基礎，積極引入了PIV等先進技術，對實際問題進行針對性分析，上述成果的出現，具備較好的可信度，為實踐操作奠定了堅實的基礎。

3 計算傳熱學在工程換熱設備中應用未來發展趨勢

現代工業化發展，對于工程換熱設備實際問題，無法依靠單一學科予以解決。隨著科學技術不斷發展，針對傳熱學中復雜問題的解決，務必要以多學科交叉為基礎，同時引入新學科，提高問題解決有效性。由于傳熱、傳質及流動動量在傳輸中存在密切聯系，相互作用，故可以判斷為要素之間具有非線性關系。現代科學發展背景下，湍流預測難度較大，其中的流體軌道行為具有較強的隨機性，其中大漩渦套著小漩渦，小漩渦套著更小的旋渦，在各個層次上都具有相似的結構。為了探究其中的奧秘，我們要積極引入分形幾何學、多維流動傳熱模型等，以此來提高研究有效性。

為了促進實踐應用發展，針對數值的計算要強調典型問題，使其與并行算法相結合，提高計算結果準確性。數值計算絕對不是驗證理論，更多的是強調實踐特征[2]。因此，在未來研究中，勢必會朝著規模化、集成化方向發展，越來越多的大型通用軟件為研究和設計起到了輔助作用。

任何學科的發展都離不開其他學科的滲透和支持，因此，計算傳熱學在換熱設備中的應用，開始引入流動測量技術、可視化技術等，其中LDV技術自身精度較好、且測量范圍廣，為流場研究提供了先進的技術支撐。在實踐應用中，學者可以借助技術手段，實現對整個熱能傳輸全過程的監督，發現熱能交換特點及規律，使得理論在實踐中應用更具科學性。除此之外，換熱設備長期應用后，會出現污垢，針對污垢處理技術也是技術未來研究的重心，雖然目前理論研究成果較為豐富，但是污垢形成較為復雜，除垢增加了企業成本消耗。因此，未來技術研究中，還要側重對結垢問題數學模型的研究，分析污垢形成的原因，根據污垢形成特點及規律，并采取相應措施予以處理。

4 結論

根據上文所述，隨著換熱設備在各領域中的普及和應用，人們對其換熱性能提出了更高要求。計算傳熱學作為一門重要學科，其能夠體現出換熱特點及規律，應用到換熱設備當中，能夠提高換熱有效性。隨著科學技術不斷發展，對于計算傳熱學在設備中的應用，我們還要給予深入研究，積極引入現代技術，加強學科之間的融合和滲透，形成全新的技術，實現對設備換熱性能的優化和調整，不斷提高設備換熱效果，滿足實踐生產需求，從而促進相關領域持續健康發展。

參考文獻：

[1]張長興，李華偉，彭冬根，劉玉峰，叢曉春.形狀因子法在垂直U型埋管傳熱分析中的應用[J].可再生能源，2013，31（09）：124128.

[2]丁玉棟，王強，王宏，胡先林，范勇剛，伍立新.工業設備及管道絕熱結構外表面換熱系數取值的探討[J].化工設計，2011，21（04）：3745+12.

[3]周力行.Nox生成湍流反應率數值模擬的進展[J].力學進展，2014，11（1）.456458.