基于有限元的典型換熱結構比較研究

張澤昀，鐘 飛

（湖北工業大學 機械工程學院，湖北 武漢430068）

換熱器是一種廣泛應用在化工、動力、食品、藥業、輕工等工業領域的能源轉換設備，在能源的有效利用上扮演了重要角色。換熱器的結構會直接影響到能源利用率和能耗水平。因此，各國的學者們對換熱器結構開展了大量的研究，并從中獲得了許多重要的實驗參數和模擬結果。在典型的換熱結構中，換熱器中的球凸結構已成為近年來比較熱門的研究課題，文獻[1-3]開展了球凸的直徑、深度、間距和排布對其性能影響的研究，其結果能為球凸幾何結構的優化提供實驗依據。

本文圍繞換熱器結構對性能的影響開展研究，其主要內容是對整體尺寸相同，但是結構不同的三種換熱器內部的溫度分布進行了數值模擬，并從傳熱效率、流動阻力以及綜合傳熱系數三個方面進行了比較和分析。

1 計算模型的建立

本章主要研究不同結構下換熱器的熱學性能。為了減少尺寸參數對性能的影響，換熱器幾何模型的整體尺寸保持不變，即長度為100mm，寬為15mm，高度是12mm，壁厚1mm。邊界條件在不同換熱器的數值模擬過程中也保持同樣設置：換熱器內部流體為空氣，入口邊界選擇velocity inlet，入口速度設置10m/s，入口溫度為300K，出口邊界條件為outflow，壁面溫度600K。激活能量方程，由于本研究屬于低雷諾數流動，采用標準RNGκ-ε模型的模擬結果最接近實際測量值，因此本文選擇RNGκ-ε湍流模型進行數值計算。不同結構換熱器的數值模擬均在ANSYS中的ICEM模塊中進行建模和非結構性網格劃分，并在FLUENT模塊中進行計算。

2 結果分析

2.1 球凸結構對換熱器性能的影響

本節主要對圓球形、橫向橢圓形和縱向橢圓形的三種結構進行分析。具體結構如圖1所示。圖1（a）中球凸的半徑為2.5mm，高度為2.5mm，相鄰兩球心之間的距離為10mm；圖1（b）中縱向橢圓形球凸的長軸半徑為5mm，短軸半徑為2.5mm，相鄰兩球心之間的距離為10mm；圖1（c）中橫向橢圓形球凸的尺寸與縱向橢圓形球凸的尺寸完全一樣，相鄰兩球心的距離為16mm。

圖1 球凸換熱器的三種結構

圖2（a）、（b）和（c）顯示的是三種球凸結構換熱器的通道中截面溫度分布云圖，縱向橢圓形球凸的出口中心空氣溫度最高，其次是橫向橢圓形球凸，圓球形球凸的出口中心的空氣溫度最低。近壁面的溫度從高到低的排列順序是：縱向橢圓形球凸的最高，其次是圓球形球凸，橫向橢圓形球凸最低。這說明不同結構的球凸對換熱器傳熱性能的影響較大，在縱向橢圓形球凸的布置方式下，同排兩個球凸之間的間距最小，空氣受到的沖擊更大，同時空氣與壁面的接觸面積也最大，兩者同時作用，造成這種結構的傳熱效率最高；而在橫向橢圓形球凸的布置方式下，雖然同排兩個球凸之間的間距最大，對空氣的沖擊較小，但是空氣和壁面的接觸面積與圓球形球凸結構相比更大，強化換熱效果優于圓球形球凸結構。

圖2 三種球凸結構換熱器的溫度分布云圖

綜合上述分析，不同球凸對換熱器內部流體的傳熱有明顯的影響。而縱向橢圓形球凸結構的傳熱性能都明顯優于其他兩種結構，可以作為球凸結構下，實際應用中的首選方案。

2.2 綜合性能比較

換熱器的進出口溫度差和速度變化分別可以直觀地表征其傳熱和阻力性能，而綜合評價指標PEC則用來評估換熱器的綜合特性，其表達式為：

式中，Nu表示換熱器的努塞爾數，Nu0表示無凸起光管的努塞爾數；f和f0分別表示換熱器和無凸起光管的阻力系數。以上三種結構換熱器的努塞爾數、阻力系數與PEC值分別列入表1中。PEC值從大到小的排列依次是：縱向橢圓形球凸，圓球形球凸結構，30°傾角三角結構，15°傾角三角結構和橫向橢圓形球凸結構。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。

表1 不同模型的進出口溫度差、阻力系數和PEC

對這一現象的解釋如下：不同結構下，凸起部分使得通道收縮，流體流經該區域時速度增大，靜壓力下降。經過凸起之后通道擴張，流體速度減小，靜壓力上升，并通過速度的改變發生流體分離和再混合，并產生渦旋結構，沖擊近壁面的流體邊界層，提高綜合性能。凸起的高度越大，其綜合性能就越強。

3 結論

本文以數值模擬的方式，主要研究了三種不同結構對換熱器通道內空氣的流動和換熱性能的影響。主要結論如下：縱向橢圓形球凸的強化換熱效果最好，其次是圓球形球凸，橫向橢圓形球凸的效果最差。通道中的空氣在縱向橢圓形球凸的出口中心速度最大，并且能觀察到明顯的渦旋結構；而橫向橢圓形結構的出口中心速度最小。三種結構的綜合評價指標PEC值從大到小的排列依次是：縱向橢圓形球凸結構，圓球形球凸結構，橫向橢圓形球凸結構。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。本文的研究結果能對選擇和優化換熱器結構提供理論依據。