孫海陽

（太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

大小孔折流板換熱器是由錢才富等人提出并已授權(quán)的專利產(chǎn)品［1］，其主要目的是降低甚至消除管束的誘導(dǎo)振動(dòng)。這種折流板換熱器能夠變殼程流體的橫向流為縱向環(huán)隙貼壁射流，所以可以大大降低殼程阻力并且具有良好的強(qiáng)化傳熱性能［2－5］。

場(chǎng)協(xié)同理論是過增元從二維層流邊界層能量方程出發(fā)提出的強(qiáng)化對(duì)流傳熱機(jī)制。該理論認(rèn)為：對(duì)流換熱可等同于有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱，熱源項(xiàng)的大小決定了對(duì)流換熱的強(qiáng)度；源項(xiàng)的大小不僅取決于溫差、流速和流體的物性，還取決于速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)協(xié)同的程度，若在速度場(chǎng)、溫度梯度分布一定的條件下，二者之間的夾角（場(chǎng)協(xié)同角）對(duì)對(duì)流傳熱強(qiáng)度有重要影響，夾角越小，傳熱強(qiáng)度愈高［6－9］。

本文通過建立周期性的有限元模型，對(duì)大小孔折流板換熱器的殼程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同理論對(duì)其進(jìn)行了分析，目的在于探索換熱器殼側(cè)的場(chǎng)協(xié)同效果，尋求殼程強(qiáng)化傳熱的新途徑。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)值模型

根據(jù)大小孔折流板換熱器殼程結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的特點(diǎn)，在實(shí)際的模擬中將整個(gè)殼程簡(jiǎn)化為周期性單元流道模型，如圖1 所示，其中換熱管的規(guī)格為25mm×2.5mm，管間距為32mm，板間距為150mm，對(duì)應(yīng)的大小孔折流板大孔直徑為Φ30mm，一個(gè)周期性單元流道的長(zhǎng)度為兩倍板間距300mm。采用四面體／金字塔結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格如圖2 所示。

1.2 邊界條件和計(jì)算方法

如圖1 所示，面1～4設(shè)置為對(duì)稱面，流道的兩個(gè)端面設(shè)置為周期性邊界，介質(zhì)為水，介質(zhì)的入口溫度為300K。管壁面設(shè)置為恒溫邊界，溫度為400K，且為標(biāo)準(zhǔn)無滑移壁面。

圖1 大小孔折流板換熱器殼程流道的周期性模型

圖2 周期性模型網(wǎng)格

利用Fluent進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，采用3D、穩(wěn)態(tài)、基于壓力的隱式求解器。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)的κ－ε模型，并且包含能量方程，壓力選用標(biāo)準(zhǔn)的離散格式，其他的如動(dòng)量、湍動(dòng)能和耗散率選用二階迎風(fēng)離散格式。在進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算時(shí)選用SIMPLE算法。

從文獻(xiàn)［10］分析可以看出，采用這種周期性模型的數(shù)值結(jié)果誤差在工程允許范圍內(nèi)，能很好地反映換熱器殼程流動(dòng)和傳熱特性。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 場(chǎng)分析

對(duì)殼程流道雷諾數(shù)為29 974的工況進(jìn)行了計(jì)算，流道X＝0截面上的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和角度場(chǎng)（溫度梯度與速度矢量的夾角）等值圖見圖3 。從圖3 （a）可以看出，流體在經(jīng)過大小孔折流板大孔與換熱管形成的環(huán)隙時(shí)，壓力梯度比較大，而通過環(huán)隙后，壓力梯度變小，說明殼程流體阻力主要集中在孔板附近。從圖3 （b）的速度場(chǎng)可以看出，當(dāng)殼程流體流過大小孔折流板時(shí)，在環(huán)隙處形成高速流體，沖向相鄰管之間的區(qū)域，加快了管表面流體的流速，強(qiáng)化了管壁傳熱，且在折流板背面形成低壓區(qū)，如圖3 （a）所示，流道兩側(cè)管間的高壓區(qū)流體向低壓區(qū)回流，增加了流體的湍動(dòng)與混合，從而達(dá)到了強(qiáng)化傳熱的目的。由圖3 （c）可知，在靠近管壁附近，殼程流體的溫度梯度比較高，而在流體內(nèi)部溫度分布比較均勻，說明傳熱效果比較好。分析圖3 （d）所示的角度場(chǎng)可以得知，單元流道的協(xié)同角在流道中心區(qū)域較小，說明在中心區(qū)域協(xié)同度比較好。

圖3 周期模型場(chǎng)分析

2.2 雷諾數(shù)和折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單元流道角度場(chǎng)平均協(xié)同角的影響

圖4 和圖5 分別為雷諾數(shù)和折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)單元流道角度場(chǎng)平均協(xié)同角的影響。從圖4 可以看出，隨著雷諾數(shù)的增大，即湍流程度的增加，單元流道角度場(chǎng)的平均協(xié)同角逐漸降低，說明隨著雷諾數(shù)的增加，其傳熱效果越好。并且在雷諾數(shù)超過30 000后，單元流道角度場(chǎng)的平均協(xié)同角趨于平緩。從圖5 可以看出，隨著大孔直徑和板間距的增加，單元流道的平均協(xié)同角也逐漸增大，說明在大孔直徑和板間距較小時(shí)，單元流道的協(xié)同度會(huì)更好，即傳熱效率更高，這與文獻(xiàn)［4］中的結(jié)論相吻合，即隨著大孔直徑和板間距的減小，大小孔折流板換熱器傳熱效果更好。

3 結(jié)論

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS－Fluent建立了大小孔折流板換熱器周期性的單元流道模型，通過對(duì)該模型的分析，揭示了大小孔折流板換熱器內(nèi)部流道的壓力、溫度、速度和角度場(chǎng)的分布規(guī)律，并且從角度場(chǎng)的分析得知，隨著雷諾數(shù)的增大，大小孔折流板換熱器殼程角度場(chǎng)的平均協(xié)同角逐漸降低，其傳熱效果越好；而當(dāng)大孔直徑和板間距較小時(shí)，大小孔折流板換熱器殼程的場(chǎng)協(xié)同度較好，具有更好的傳熱性能。

圖4 雷諾數(shù)變化對(duì)單元流道角度場(chǎng)平均協(xié)同角的影響

圖5 折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單元流道角度場(chǎng)平均協(xié)同角的影響

［1］錢才富.一種無缺口折流板換熱器：中國，200910249804.4［P］.2010-05-12.

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