白桂培，葉 莉，岳 晨，范菊蘭，顧楊怡，何緯峰，韓 東，蒲文灝

(1．南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016;

2．南通中船機(jī)械制造有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

工業(yè)化的迅速發(fā)展和人們生活水平的飛速提高，使得人們對(duì)能源的需求量急劇增大，在改變能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)新能源的同時(shí)，還應(yīng)提高能源利用率。目前，各類工業(yè)企業(yè)中有大量的換熱設(shè)備，但普遍存在能耗高、效率低的現(xiàn)象，因此對(duì)這些設(shè)備的節(jié)能技術(shù)研究具有重要意義。

換熱器是大型船舶上必不可少的熱交換設(shè)備，由于板式換熱器具有換熱量大，體積小，換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)中。但是板式換熱器在運(yùn)行過程中消耗的泵功率較大，運(yùn)行費(fèi)用和耗能較高。因此要對(duì)其流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行分析研究，在提高換熱能力的同時(shí)降低流動(dòng)阻力，節(jié)約能耗。換熱器的板片式組成換熱器的重要部件，其性能對(duì)于整個(gè)換熱器的性能起關(guān)鍵作用。

板式換熱器的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，由于數(shù)值模擬能夠降低成本、節(jié)約時(shí)間、靈活計(jì)算，所以被廣泛應(yīng)用于板片設(shè)計(jì)和優(yōu)化中［1－3］。評(píng)價(jià)板式換熱器性能的方法很多，一般根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果中Nu 數(shù)和阻力系數(shù)f 隨雷諾數(shù)Re 的變化情況分析其換熱與阻力特性，但是為了衡量換熱能力和流動(dòng)阻力對(duì)換熱器性能的綜合影響可用綜合傳熱性能參數(shù)j/f 來評(píng)價(jià)其特性［4－6］。盛潔、Mohammed 等人［7－8］分別對(duì)不同波紋角度、波紋高度的人字形換熱板片進(jìn)行數(shù)值模擬，分析它們對(duì)板式換熱器內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱特性的影響。Pehlivan、Li等［9－10］對(duì)介質(zhì)流體進(jìn)入平直波紋板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試流道的幾何參數(shù)對(duì)換熱與流動(dòng)阻力的影響，通過實(shí)驗(yàn)和模擬的雙重驗(yàn)證進(jìn)而發(fā)現(xiàn)可以提高板式換熱器對(duì)流換熱。

本文根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，分析了波紋傾角、波紋高度對(duì)曲折波紋板式換熱器的換熱性能和流動(dòng)阻力損失的影響，并且對(duì)原板式換熱器進(jìn)行優(yōu)化，通過Nu 數(shù)、阻力系數(shù)f 和綜合傳熱性能參數(shù)j/f 來比較兩種板式換熱器的性能，初步探討了優(yōu)化設(shè)計(jì)板式換熱器的研究方向。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1．1 物理模型

波紋傾角的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，波紋高度的結(jié)構(gòu)如圖2，進(jìn)口截面上的波紋本來是波長(zhǎng)為12．5 mm的周期正弦波。定義從坐標(biāo)(0，0，0)起第一周期波紋的波高為h1，第二周期波紋的波高為h2，定義a為第二周期波紋高度和第一周期波紋高度之比即h2/h1;則原曲折波紋板為a=1。

圖1 曲折波紋板片波紋角度β 的示意圖

圖2 進(jìn)口截面波紋示意圖

1．1．1 不同波紋角度的模型

由于曲折波紋板片是對(duì)稱型板片，為了節(jié)省計(jì)算成本，本文選取小面積的中心主流區(qū)域建立模型。分別對(duì)不同波紋角β 的板片進(jìn)行建模，尺寸大小為75 mm×75 mm。具體模型圖如圖3(a)～(g)所示。

圖3 不同波紋角度的模型

1．1．2 不同波紋高度的模型

由于波紋板片的對(duì)稱性，為了節(jié)約計(jì)算資源，本文截取板間局部流道模型。模型尺寸為60 mm ×60 mm，圖4(1)～(11)分別是不同波紋高度a 所對(duì)應(yīng)的模型圖，圖4(12)是a=0．4 時(shí)縱向截面圖。

圖4 a 不同時(shí)的模型圖

1．1．3 原曲折波紋板和高低板的模型

對(duì)原模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇波紋角度為40°，縱向波高比a=0．4，其余參數(shù)保持不變的高低板作為新型板片。分別對(duì)兩個(gè)板片進(jìn)行建模，模型尺寸與原有板片流體主流換熱區(qū)大小相同，為350 mm ×200 mm。

1．2 邊界條件

(1)進(jìn)口流速為0．5 m/s，進(jìn)口溫度取307 K，并設(shè)定了相應(yīng)的當(dāng)量直徑和湍流強(qiáng)度;

(2)出口為壓力出口;上、下壁為恒壁溫300 K，材料為不銹鋼;兩側(cè)固壁設(shè)置為絕熱條件。

1．3 數(shù)值計(jì)算方法

利用Fluent 軟件數(shù)值來求解對(duì)流換熱過程的控制方程，采用SIMPLE 算法求解速度壓力方程，控制方程中的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散均采用二階迎風(fēng)差分離散格式，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k －ε 模型，通過GAMBIT 軟件構(gòu)建體模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1．4 不同準(zhǔn)則參數(shù)定義

(1)雷諾數(shù)Re 的定義

式中

Vmax——進(jìn)口處流體最大速度。

(2)平均努賽爾數(shù)的定義

(3)阻力因子的定義

式中

Δp——進(jìn)出口壓差;

L——進(jìn)出口間距。

(4)綜合性能參數(shù):采用無量綱因子j/f 表示。其中j=St pr23，St 為斯坦頓數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算及結(jié)果分析

2．1 不同波紋角板片的流動(dòng)和換熱特性比較

圖5 是曲折波紋板Nu 數(shù)和壓力損失隨波紋角β 的變化情況，當(dāng)β 從20°變化到40°時(shí)，Nu 數(shù)增加1 686．5，Δp 增加490．9 Pa;當(dāng)β 從40°變化到60°時(shí)，Nu 數(shù)增加844．4，而Δp 卻增大了3 009．4 Pa。由此可知，當(dāng)波紋角β ＞40°時(shí)，Nu 數(shù)隨著β 增大的梯度減小，壓力損失卻急劇增大。因此增大β 能夠提高板式換熱器的換熱能力，但同時(shí)也會(huì)增大壓力損失。

圖6 為板片的綜合性能參數(shù)隨著β 的變化情況，隨β 增大，板片的綜合性能從0．005 逐漸降低到0．000 25。當(dāng)β ＞40°后，綜合性能參數(shù)下降的較為明顯。因此對(duì)原始模型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般選取波紋角度β 為40°作為優(yōu)選角度。

2．2 不同波紋高度板片的流動(dòng)和換熱特性比較

改變波紋高度，整個(gè)流道的接觸點(diǎn)降低，壓力損失急劇下降，因此我們可以通過改變波紋高度來控制壓力損失。圖7 為同一流速下，Nu 數(shù)隨著波高比a 變化的曲線圖。隨著a 的增加，Nu 數(shù)約從19．5逐漸增大到119．8，換熱效果逐漸增強(qiáng);但當(dāng)a ＞0．4的情況下Nu 增加的趨勢(shì)變小，板片的換熱效果變化緩慢。

由圖8 ～圖9 可以看出，隨著波高比a 的增加，模型的壓力損失△p 增大，但是起初增長(zhǎng)緩慢，當(dāng)a ＞0．6 時(shí)急劇增加，而摩擦系數(shù)f 先急劇增大，當(dāng)a ＞0．6 時(shí)增加幅度變緩。

圖5 不同波紋角度下的Nu 數(shù)和壓力損失曲線圖

圖6 不同波紋角度下的綜合性能參數(shù)曲線圖

圖7 同一流速下Nu 數(shù)隨a 變化的曲線圖

圖8 同一流速下Δp 隨a 變化的曲線圖

圖9 同一流速下f 隨著a 變化的曲線圖

圖10 同一流速下j/f 隨a 變化的曲線圖

為了平衡板式換熱器換熱性能和壓力損失之間的關(guān)系，可以用換熱因子與阻力系數(shù)之比來衡量板式換熱器的綜合性能。從圖10 可以看出，同一流速下，隨著波高比a 的增大j/f 先增大后減小，當(dāng)a 小于0．4 時(shí)，j/f 值隨著a 的增大而增大，當(dāng)a 約為0．4時(shí)達(dá)到最大值，當(dāng)a 大于0．4 時(shí)，j/f 隨a 的增大而減小，但下降的幅度較緩。因此，選用a =0．4 作為最優(yōu)波高比，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新板片的模型，對(duì)其進(jìn)行研究分析。

2．3 高低板與原板的流動(dòng)和換熱特性比較

由圖11 可以看出，隨著流速的增加，模型的Nu都增加，這與強(qiáng)化換熱機(jī)理的方式相符合，即增加流體流速可以增加換熱性能。由圖11 和圖13 可以看出，同一流速下高低板片Nu 數(shù)高于原板片的Nu數(shù)，在流體流動(dòng)的過程中由于波紋角度的改變使換熱效果得到提高。同一流速下?lián)Q熱性能提高了15%左右。

對(duì)比不同流速下兩個(gè)模型的f 曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，阻力系數(shù)f 隨流速的增加而減小。同一流速下比較兩個(gè)模型，發(fā)現(xiàn)高低板片的阻力系數(shù)明顯比原板片小，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性。比較兩個(gè)模型的綜合性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)綜合性能參數(shù)隨流速的增加而減少。同一流速下，新模型的綜合性能參數(shù)高于原板片。

圖11 高低板和曲折波紋板的Nu 數(shù)隨流速的變化曲線

圖12 高低板和曲折波紋板的f 隨流速的變化曲線

圖13 高低板和曲折波紋板的j/f 隨流速的變化曲線

3 結(jié)論

本文分別對(duì)曲折波紋板片和高低板片板式換熱器的流動(dòng)和換熱性能進(jìn)行了數(shù)值研究，并對(duì)波紋角度β 和波紋高度比a 進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合考慮板片的流動(dòng)換熱特性，數(shù)值研究表明當(dāng)設(shè)計(jì)波紋角度β=40°，縱向波高比a=0．4 時(shí)，同一流速下，新板片的換熱性能約提升了15． 4%，阻力系數(shù)升高16.2%，綜合性能參數(shù)提高了22．3%左右，優(yōu)化得到的新板片綜合性能得到了顯著改善。

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