熱交換器的設(shè)計(jì)與仿真分析

孟俊濤

摘要：為了研究流體在熱交換器中對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的冷卻效果，我們就以流固耦合理論為基礎(chǔ)，利用Catia軟件建立熱交換器的三維模型，并利用ANSYS對其進(jìn)行流固耦合分析，結(jié)果表明：冷卻效果符合預(yù)期，結(jié)果合理可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：熱交換器;流固耦合;ANSYS

0? 引言

熱交換器是一種常見的熱交換設(shè)備，它主要是用來使熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，以此滿足特定工藝要求的一種裝置，根據(jù)其具體的使用目的可以分為冷凝器、加熱器、冷卻器和汽化器，其應(yīng)用的基本原理就是熱傳導(dǎo)以及對流傳熱[1，2]。

1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型套管式熱交換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩部分組成，外部是冷卻劑流動(dòng)層，用于冷卻套管內(nèi)部的高溫流體;內(nèi)部是熱交換器的套管，里面流動(dòng)的是高溫機(jī)油。

該熱交換器中起降溫作用的是外部冷卻劑流動(dòng)層，它與熱交換器套管中的高溫機(jī)油通過逆流的方式，在熱交換器內(nèi)管壁進(jìn)行對流換熱。具體流動(dòng)方案如圖1所示，機(jī)油由左上方入口進(jìn)入換熱器，從右下部出口流出，而冷卻水流動(dòng)方向恰好與之相反，從右下方入口進(jìn)入換熱器，從左上部出口流出，經(jīng)查閱相關(guān)資料可知，采用逆流的方式能夠更好的降低高溫機(jī)油的溫度[3，4]。

2? 建模與仿真

通過Catia軟件對熱交換器進(jìn)行三維建模，如圖2所示，將繪制好的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中的CFX分析模塊[5]，對模型采用四面體網(wǎng)格劃分，只要網(wǎng)格的數(shù)量足夠多，四面體網(wǎng)格同樣能保證相同的精度[6]，生成的網(wǎng)格圖3所示，ANSYS Workbench中包含有多種網(wǎng)格質(zhì)量檢查準(zhǔn)則，對于不同的分析項(xiàng)目而言，其所對應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量檢查規(guī)則也就不一樣，我們選擇一種較為常用的網(wǎng)格質(zhì)量檢查規(guī)則，也就是Element Quality（單元質(zhì)量檢查），該數(shù)值越接近于1說明網(wǎng)格質(zhì)量劃分的越好，此次平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.81，可以認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量滿足此次計(jì)算要求，如圖4所示，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)180.4萬，網(wǎng)格單元數(shù)128.4萬。

3? 邊界條件

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，保證機(jī)油出口溫度不得超過70℃，其中流經(jīng)套管內(nèi)的高溫機(jī)油入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為0.02Kg/s，入口溫度為200℃;冷卻劑的入口邊界條件為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為0.4Kg/s，入口溫度為20℃;模型壁面采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，無滑移邊界，采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行計(jì)算[7，8]，冷卻劑與機(jī)油的設(shè)置參數(shù)如圖5、圖6所示。

4? 結(jié)果與討論

觀察機(jī)油溫度分布云圖（圖7）可知，機(jī)油在有冷卻水的位置溫度較低，主要是因?yàn)榇瞬糠掷鋮s水流速較高，帶走了大量的熱量，彎曲部分溫度較高，約為90℃左右，最高溫度出現(xiàn)在機(jī)油入口處，為200℃，其中機(jī)油的出口溫度低于70℃，滿足設(shè)計(jì)要求;觀察熱交換器表面溫度分布云圖（圖8）可知，流經(jīng)冷卻劑管道的溫度較低，最高溫度出現(xiàn)在冷卻劑出口位置，不超過80℃，而流經(jīng)機(jī)油管道的溫度較高，其中最高溫度出現(xiàn)在管道彎曲部分，約為96.6℃。

5? 結(jié)論

以流固耦合理論為基礎(chǔ)，利用catia軟件建立了熱交換器三維模型，并通過CFX軟件對其進(jìn)行流固耦合分析，得到了機(jī)油的溫度分布云圖，結(jié)果表明：該換熱器能夠?qū)C(jī)油溫度降到合理安全范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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