淺談板式換熱器性能的數值模擬

王二龍

摘要：文章通過研究三角形凸臺全傳接板式換熱器的換熱性能及阻力性能探究了板式換熱器性能的數值模擬方法，文章具有一定的實用性和參考價值。

關鍵詞：板式；換熱器；數值模擬

板式換熱器已經成為了各行業最重要的換熱元件之一，其性能要求相對較高。為了進一步對其研究，有必要從數值模擬方面入手探究其性能的高效性與可靠性。

1 換熱器的數值計算模型

1.1 物理模型

文中用于計算分析的模型為某三角形凸臺板式換熱器的一部分主換熱區。為了對不同凸臺傾角及間距幾何參數所具有的換熱性能與阻力性能的影響，其換熱板片參數的設置情況如下表。

1.2 數學模型

為了進行數字模擬現對該模型做以下基本假設：

（1）文中涉及的流體介質均為連續介質，為此，文中采用無滑移的NavierStokes（NS）方程對流場進行求解；

（2）文中所模擬的流動均為定常流動，計算時不計重力與浮升力；

（3）文中介質所進行的流動均屬于低速流動，流體流動因為粘性作用產生的耗散熱效應都忽略不計；

（4）因為文中所涉及的流體流速都偏低，而且流體介質都屬于不可壓縮粘性流體，因此，可以不計壓力以及溫度給流體介質比熱容及其粘性系數所產生的影響，基于以上分析，可以把通道中的流體介質設置為常物性；

（5）計算時，將入口流量在各層流面中的不均勻分布忽略，為此，文中認為進口來流均勾。

計算保證能量、動量以及質量守恒，式1、式2、式3為計算控制方程。

uxx+uyy+uzz=0（1）

uxuix+uyuiy+uzuiz=-1ρρxi+v2uix2+2uiy2+2uiz2（2）

uxtx+uyty+u2tz=a2tx2+2ty2+2tz2（3）

以上三式中，ux、uy、uz、ui：分別為x、y、z、i方向的流動速度分量，V為運動粘度，t為時間。

2 邊界條件

在進行數值模擬的過程中，介質的入口邊界設置為：速度進口，其進口溫度設置為：350K。進口邊界的湍流狀態則通過設定湍動能以及湍動能耗散率進行確定。對于出口而言，其邊界條件設置為：壓力出口，其中，選定的壓力值為一個大氣壓。壁面溫度恒定，速度無滑移。

3 仿真與結果分析

本文計算采用三維穩態進行模擬，采用分離隱式進行計算求解。模擬選用SIMPLEC算法，對于湍流參數、動量以及能量的求解均選用二階迎風差分格式。從圖中不難看出，三角形凸臺板式換熱器內的介質的流動變化規律和人字形波紋板換熱器內的流動規律雷同各傾角下都會發生 “十字交叉流”向“曲折流”的轉變。

下圖為不同間距下三角形凸臺板片中流道的速度場矢量圖。從圖中不難看出，板間流動主要呈現“十字交叉流”狀態，同時也存在小部分的“曲折流”。

（a）b=10.5mm（b）b=15mm

（c）b=20mm（d）b=25mm

（e）b=30mm

不同間距下三角形凸臺板片中流道的速度場矢量圖

4 結語

采用數值模擬手段對板式換熱器性能的研究意義重大，其必將成為換熱器發展的重要方向。

參考文獻：

[1]杜文靜，王飛，王坤，等.正六邊形球面助板式換熱器優化設計[J].工程熱物理學報，2012，33（011）：19401943.

[2]郭春生，程林，杜文靜.不同波紋比例新型板式換熱器的傳熱、阻力特性及火用分析[J].中國石油大學學報（自然科學版），2012，36（2）：163167.