馮迎雪,烏日?qǐng)D，王毛毛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院精密儀器及機(jī)械系，呼和浩特 010051）

0 引言

FLUENT 在換熱設(shè)備中的應(yīng)用極為廣泛。例如：高溫?zé)峁軆?nèi)的換熱模擬，高溫?zé)峁軓?qiáng)化換熱的模擬,研究各種模型的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、對(duì)流換熱系數(shù)的分布等等，為得到影響表面流動(dòng)換熱特性的主要參數(shù)提供了依據(jù)［2-3］。平板式空氣預(yù)熱器的模擬仿真涉及速度場(chǎng)、流場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合問(wèn)題，都可以使用FLUENT 軟件有效地解決。利用FLUENT 計(jì)算流體仿真軟件,分別對(duì)逆流式和叉流式空氣預(yù)熱器流道內(nèi)部的流場(chǎng)、換熱溫度及壓力分布做可視化模擬分析。這種模擬結(jié)果可以很好地指導(dǎo)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及維修。

1 叉流單元仿真分析

1.1 建立模型及參數(shù)設(shè)定

圖1 橫流塊和網(wǎng)格劃分的模型

如圖1 所示，選取叉流單元的模型尺寸為400 mm×200 mm，換熱板厚度為2 mm，流道寬度為20 mm，擾流柱直徑為5 mm。因?yàn)榘迨娇諝忸A(yù)熱器叉流單元冷、熱流體的流道都是并列布置的，除了最外側(cè)的兩個(gè)流道外，其余的流道換熱性能和阻力特性理論上是完全一致的。為了保證電腦的處理速度，將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型長(zhǎng)、寬保持原尺寸，取兩個(gè)相鄰的冷、熱流道進(jìn)行仿真即可。假設(shè)每個(gè)流道的換熱情況以流道的中心面對(duì)稱，那么模型中的流道的厚度可以簡(jiǎn)化為10 mm（實(shí)際尺寸為20 mm），這樣便可以弱化通道另一側(cè)流體缺失而帶來(lái)的溫度誤差。

定義冷、熱流體均為air 且流速相等，換熱板材料為steel。在選擇模擬時(shí)采用速度入口，入口速度為1～25m/s，熱流體入口溫度為200～300℃，冷流體入口溫度恒為20℃。出口邊界條件采用壓力邊界條件，設(shè)定為0.101 33 MPa。

因?yàn)槠桨迨娇諝忸A(yù)熱器的速度非?？?，容易產(chǎn)生湍流，所以在進(jìn)行模擬計(jì)算的時(shí)候采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 模型進(jìn)行計(jì)算［4］。

在進(jìn)行的12 組數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，殘差值全部收斂，所作分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。為了更好地分析冷、熱流體內(nèi)的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)，分別在模型中建立了觀察平面PLANE1（冷流體平面）、PLANE2（熱流體平面）、PLANE3（換熱板平面），以及3 個(gè)冷流體出口測(cè)溫點(diǎn)、3 個(gè)熱流體出口測(cè)溫點(diǎn)和6 個(gè)換熱板測(cè)溫點(diǎn)，這樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也就有了保證。

1.2 仿真結(jié)果分析

從圖2 中可以看到，由于流向垂直，冷、熱流體的溫度場(chǎng)坡度非常明顯。在冷流體入口和熱流體出口交匯的地方是整個(gè)溫度場(chǎng)溫度最低的部分，可以肯定這個(gè)位置的換熱板溫度也是最低的，極易產(chǎn)生露點(diǎn)腐蝕，必要的情況下應(yīng)在冷流體側(cè)加裝空氣幕隔板防止露點(diǎn)腐蝕。

圖2 溫度場(chǎng)云圖（左圖為熱流體側(cè)）

如圖3 所示，無(wú)論熱流體還是冷流體，壓力場(chǎng)梯度均隨著流體的流動(dòng)方向而逐步減小，當(dāng)流體與擾流柱發(fā)生沖擊的時(shí)候，在擾流柱前端會(huì)有一定的壓力激增，而擾流柱后端則會(huì)有一定的壓力遞減，但從圖中可以看到這些影響對(duì)于整體的壓力場(chǎng)梯度影響不大。由于叉流單元的壓力降非常小只有幾百帕的壓降，在云圖中無(wú)法顯示具體的壓力變化，仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可通過(guò)contours 窗口查看準(zhǔn)確數(shù)值。

圖3 壓力場(chǎng)云圖（左圖為熱流體側(cè)）

如圖4 所示，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)擾流柱的時(shí)候速度場(chǎng)會(huì)有非常明顯的變化，在擾流柱后端流體的速度減小，而在擾流柱兩側(cè)的速度則會(huì)有所增大，這種速度場(chǎng)的不均勻顯然會(huì)使流體增加產(chǎn)生湍流的機(jī)會(huì)從而提高空氣預(yù)熱器的換熱性能［5］。

圖4 速度場(chǎng)云圖（左圖為熱流體側(cè)）

2 逆流單元仿真分析

2.1 建立模型及參數(shù)設(shè)定

如圖5 所示，選取逆流單元中相鄰導(dǎo)流板中的一個(gè)流道，實(shí)際尺寸為2 250 mm×250 mm，換熱板厚度為2 mm，流道厚度為20 mm。由于逆流單元中的冷流體流道為導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)且為了與叉流單元做比較，逆流單元模型中均不加擾流柱。

圖5 逆流塊及網(wǎng)格劃分模型

選擇冷、熱流體均為air 且流速相等，換熱板材料選為steel。在選擇模擬時(shí)采用速度入口，入口速度為10～25 m/s，熱流體入口溫度為300～400℃，冷流體入口溫度恒為20℃。出口邊界條件采用壓力邊界條件，設(shè)定為0.101 33 MPa。

2.2 仿真結(jié)果分析

從圖6 中可以看到冷流體從入口處的293K（20℃）通過(guò)換熱逐步升溫，在通過(guò)兩個(gè)90°彎頭位置的時(shí)候均產(chǎn)生了比較強(qiáng)的小范圍溫升，應(yīng)該是突然轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的壓力降致使流速突然變慢而造成的與周圍溫度不一致。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)流體溫升最大的部分便是兩個(gè)彎頭中間的直通道，產(chǎn)生這種情況的原因除了直通道的長(zhǎng)度較大外，還有就是這個(gè)部分與熱流體是純逆流，換熱效果最好。

圖6 熱的分析結(jié)果（在左圖所示的冷流體）

從圖7 中可以看出，由于未加擾流柱熱流體側(cè)的壓力及速度場(chǎng)變化非常簡(jiǎn)單，沿流動(dòng)方向壓力及速度梯度逐步減小。

圖7 壓力和速度的分析結(jié)果（熱流體）

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用FLUENT 計(jì)算流體仿真軟件對(duì)逆流式和叉流式空氣預(yù)熱器流道內(nèi)部的流場(chǎng)、換熱溫度及壓力分布做可視化模擬分析。分析了在不同的單元結(jié)構(gòu)下溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)之間的關(guān)系。這種模擬結(jié)果可以很好地指導(dǎo)我們進(jìn)行設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及維修。

［1］韓占中，王敬，蘭小平.FLUENT：流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

［2］溫正，石良辰，任毅如.FLUENT 流體計(jì)算應(yīng)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［3］王艷云，李志安，劉紅禹，等.FLUENT 軟件對(duì)管殼式換熱器殼程流體數(shù)值模擬方法可行性的驗(yàn)證［J］.管道技術(shù)與設(shè)備，2007（6）：46-48.

［4］李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜，等.精通FLUENT6.3 流場(chǎng)分析［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［5］田向?qū)?板式換熱器熱工性能測(cè)試及其數(shù)據(jù)處理方法的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.