盧芳 常春梅 唐海 姚立影

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司）

基于Fluent的板式換熱器氣體流動數(shù)值模擬

盧芳*常春梅 唐海 姚立影

(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司）

針對板式換熱器通道內(nèi)的氣體流動建立了Fluent計算模型。采用3種不同的計算模型，分別計算了通道內(nèi)空氣流速為14～24 m/s時的流動狀態(tài)以及壓降。建立了板式換熱器通道的試驗平臺，將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。對比結(jié)果表明，采用RNG κ-ε湍流模型的計算結(jié)果與試驗值最為接近，其壓降誤差為4.3%～7.5%。

板式換熱器 數(shù)值模擬 壓降 氣體流動 風(fēng)速

0 前言

板式換熱器是一種高效緊湊的換熱設(shè)備，其應(yīng)用幾乎涉及到所有的工業(yè)領(lǐng)域，且其類型、結(jié)構(gòu)和使用范圍還在不斷發(fā)展，因此人們紛紛對板式換熱器內(nèi)流動狀態(tài)和換熱機(jī)理展開研究[1]。

在板式換熱器的換熱過程中，流體的流動狀態(tài)、流動方向、流量大小、流程組合等影響著換熱的進(jìn)行，影響著實際的換熱系數(shù)的大小[2-4]。對于板式換熱器而言，板型的優(yōu)化設(shè)計是保證其產(chǎn)品換熱效率，減少加工成本的關(guān)鍵，因此分析研究板間流體流動對研究板式換熱器的換熱效果具有重要的意義。

目前在工程應(yīng)用方面，對于板式換熱器的換熱效果，比較常見的測定方式就是試驗。但是采用試驗方法存在著時間長、成本高、試驗條件有限等問題，對于比較大型的板式換熱器這些問題尤為突出。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，使得對于流體內(nèi)部溫度場、壓力場以及速度場分布的研究變得可行[5-8]。

本文利用Fluent軟件，采用了3種湍流模型，模擬了公司自主研發(fā)的無觸點板片接觸側(cè)的流體流動的情況，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比。通過與試驗結(jié)果的對比，最后確定模擬長薄結(jié)構(gòu)型板片并采用相對適合的湍流模型。

1 數(shù)值模型的建立

在解決CAD軟件接口問題后，將建立好的二維模型導(dǎo)入到Fluent的前處理模塊Gambit中，并經(jīng)過處理建立數(shù)值模擬計算用的三維模型。

考慮到本次模擬的板片內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使得結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分十分困難，尤其是引入邊界層網(wǎng)格之后。在網(wǎng)格劃分中，本文突破常規(guī)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，采用了分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法，并引入邊界層網(wǎng)格，對計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型總共劃分了5 395 485個單元，通過Gambit中網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具的檢查，整個模型網(wǎng)格良好，符合計算要求，如圖1所示。

圖1 計算模型

為了簡化計算過程，減少計算時間，降低計算機(jī)運行壓力，對計算模型做了如下假設(shè)[9]：

（1）冷側(cè)空氣為常壓下不可壓縮流體；

（2）板間通道的流體流動為穩(wěn)態(tài)；

（3）入口空氣均勻分布；

（4）忽略重力對流動的影響。

2 邊界條件設(shè)定

本次計算分別采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型、RNG κ-ε湍流模型和Realizable κ-ε湍流模型。表1為不同湍流模型的氣體進(jìn)口速度和通道間流速。

計算區(qū)域的邊界條件如下：

（1）入口為速度入口，見表1所示；

（2）出口為壓力出口。

表1 不同湍流模型的氣體進(jìn)口速度和通道間流速

3 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2、圖3分別為進(jìn)口速度為8.1 m/s，即通道間空氣速度為14 m/s時，板片內(nèi)部流體流動的速度矢量分布圖和壓力分布圖。這些圖顯示，板片內(nèi)部流體分布均勻，也就是說板型結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖2 板片內(nèi)部流體流動的速度矢量圖

圖3 板片內(nèi)部流體的壓力分布圖

4 試驗方法

圖4 試驗裝置

試驗裝置如圖4所示，整個試驗裝置由板片單元、抽風(fēng)機(jī)、出風(fēng)口、U形管測壓計、空氣進(jìn)口、一定直徑的圓形鋼管以及試驗平臺組成。空氣在抽風(fēng)機(jī)的作用下從空氣進(jìn)口進(jìn)入板片通道，并由出風(fēng)口排出?？諝獾牧髁坑砷y門控制，并由轉(zhuǎn)子流量計測量。試驗平臺現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗平臺現(xiàn)場

本次試驗通過U形管測壓計，分別測試了不同風(fēng)速下板片導(dǎo)流區(qū)和換熱區(qū)的壓降，測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，隨著風(fēng)速的增加，板片導(dǎo)流區(qū)和換熱區(qū)的流動阻力越來越大；風(fēng)速較小時，風(fēng)速對壓降的影響較小；風(fēng)速較大時，風(fēng)速增加壓降急劇上升，流動阻力即壓降受風(fēng)速的影響較大。

圖6 不同風(fēng)速下導(dǎo)流區(qū)和換熱區(qū)的壓降

5 試驗與數(shù)值分析

圖7、圖8分別為不同風(fēng)速下導(dǎo)流區(qū)與換熱區(qū)壓降變化曲線圖。比較圖7、圖8可以看出，RNG κ-ε湍流模型與試驗結(jié)果最為接近，其誤差為4.3%～7.5%。

圖7 導(dǎo)流區(qū)壓降隨空氣流速變化曲線

圖8 導(dǎo)流區(qū)+換熱區(qū)壓降隨空氣流速變化曲線

6 結(jié)論

（1）本文利用Fluent軟件對板片間流體進(jìn)行三維模擬，直觀地描述了流場的分布情況，對板片結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考數(shù)據(jù)。

（2）在自行研制的試驗臺上對板片導(dǎo)流區(qū)和換熱區(qū)的壓降進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，從而驗證了數(shù)值模擬的正確性。其中，RNG κ-ε湍流模型與試驗結(jié)果最為接近，其誤差為4.3%～7.5%。

[1]欒志堅.波紋幾何參數(shù)對人字形板式換熱流動形態(tài)的影響機(jī)理[J].山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），1987,15(4): 35-37.

[2]曲寧.板式換熱器流動與傳熱分析[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

[3]王福軍.計算流體力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]韓占忠，王敬，蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004:8-10.

[5]王琦，陳雷.數(shù)值計算的工程應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國電力教育，2005:148-149.

[6]佘德平.數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].勘探地球物理進(jìn)展，2003（6）：407-412，422.

[7]楊勇.數(shù)值傳熱學(xué)在波紋式換熱器上的應(yīng)用[J].華北電力技術(shù)，1999（10）：27-29.

[8]周明連.板式換熱器流動分布的理論分析與實驗研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報，2001(1)：71-72.

[9]竇國仁.湍流力學(xué)（上冊）[M].北京:高等教育出版社，1985:99.

Numerical Simulation of Air Flow in Plate Heat Exchanger by Fluent

Lu FangChang ChunmeiTang HaiYao Liying

The Fluent computing model is built based on the air flow in the plate heat exchanger so that the flow pattern and the pressure drop with the air velocity between the channels of 14 m/s to 24 m/s is calculated under 3 different computing models.Moreover,the experiment platform of the plate heat exchanger is established and the simulation results and the experimental results are compared.It shows that the RNG κ-ε turbulence model has the minimum deviation that the pressure drop error is 4.3%～7.5%.

Plate heat exchanger；Numerical simulation；Pressure drop；Air flow；Air velocity

TQ 051.5

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.003

2015-12-06)

*盧芳，女，1987年生，工程師。上海市，201518。