彭賢峰，陳 曉

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基于SolidWorks flow Simulation的換熱器流體模擬分析與換熱效率計(jì)算＊

彭賢峰，陳 曉

（臺州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺州 318020）

通過SolidWorks流體分析工具Flow Simulation插件對換熱器進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，分析結(jié)果表明，應(yīng)用SolidWorks軟件仿真可以降低研究成本、縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期、提高工作效率。應(yīng)用Flow Simulation進(jìn)行仿真的方法可以為換熱器安全性和經(jīng)濟(jì)效益的后續(xù)研究提供一些參考。

SolidWorks；Flow Simulation；換熱器；流體分析

傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)方法往往由于經(jīng)驗(yàn)估算精度差，樣機(jī)的設(shè)計(jì)修改、制作與測試的次數(shù)較多，造成開發(fā)周期過長、開發(fā)費(fèi)用巨大，并且很難使開發(fā)的產(chǎn)品達(dá)到最節(jié)能、節(jié)材的設(shè)計(jì)效果。而采用計(jì)算機(jī)仿真的方法，以換熱器內(nèi)部傳熱傳質(zhì)機(jī)理為理論依據(jù)，在計(jì)算機(jī)上建立換熱器模型，可以減少對實(shí)際樣機(jī)測試的依賴程度，這將大大提高對換熱器性能預(yù)測的快速性和準(zhǔn)確性，所以，其已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向[1-2]。

1 換熱器模型的建模簡化

1.1 建模方案

本論文中主要研究的是套管式換熱器的SolidWorks flow Simulation，工況條件如圖1所示。

圖1 換熱器工況條件和材料

1.2 創(chuàng)建項(xiàng)目

在這個(gè)項(xiàng)目中，除了分析整個(gè)模型壁面與流體之間的熱交換，還要分析固體內(nèi)部的導(dǎo)熱過程[3-4]。因?yàn)?，此次模型中使用?種流體，即水和空氣。固體材料是不銹鋼，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為5 W/m2·K，換熱器內(nèi)部壓力為2 atm，接受默認(rèn)的結(jié)果精度等級、最小尺寸間隙和最小壁面厚度。該模型是對稱的，施加對稱約束邊界條件[5]。

1.3 定義流體計(jì)算區(qū)域

流體分析向?qū)гO(shè)置中選擇水作為默認(rèn)流體，入口冷水質(zhì)量流速為0.02 kg/s，溫度20.05 ℃，而流體子區(qū)域用空氣作為流體，初始溫度為326.85 ℃，流速為10 m/s。

2 求解數(shù)據(jù)及后處理

2.1 顯示流動(dòng)跡線

換熱器中流體軌跡界面如圖2所示。

圖2 換熱器中流體軌跡界面

跡線是指單個(gè)質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間過程內(nèi)的流動(dòng)軌跡線，是拉格朗日法描述流動(dòng)的一種方法。在該流動(dòng)跡線云圖中，由于冷卻水的溫度范圍小于默認(rèn)的全局范圍（20.05～326.85 ℃），所以，跡線都是藍(lán)色，為了得到更多水中溫度的分布信息，可以將溫度最高值設(shè)置為26.85 ℃，以此得到進(jìn)出口水溫范圍之間的溫度，水的最小溫度值接近19.85 ℃。

2.2 表面參數(shù)計(jì)算

使用表面參數(shù)來獲得空氣和水在出口處的值。因?yàn)樾枰眠@些值來計(jì)算熱交換系數(shù)和確定合適的溫度范圍，從而更好地顯示流動(dòng)跡線。在計(jì)算出參數(shù)之后，可以看到出口處平均水溫大約為26.85 ℃，平均空氣溫度大約為310.85 ℃，具體如表1所示。

表1 換熱器中水和氣體的各項(xiàng)參數(shù)

3 套管式換熱器換熱系數(shù)的計(jì)算公式

定義流體最小的額定容量=*，在這個(gè)例子中，水的流量是0.02 kg/s，空氣的質(zhì)量流量是0.046 kg/s。水的溫度在26.85 ℃時(shí)的比熱大約是空氣在310.85 ℃時(shí)的5倍。因此，這個(gè)空氣的額定容量是小于水的額定容量。

由前面分析可知入口處的空氣溫度（326.85 ℃）和入口處的水溫（20.05 ℃），可以計(jì)算得出熱交換系數(shù)。

4 結(jié)論

綜上所述，運(yùn)用Flow Simulation流體仿真模擬不但可以得到換熱器里的流體軌跡，還能清楚顯示換熱器內(nèi)部的溫度變化。對設(shè)計(jì)人員來說，掌握精確的溫度、速度、流量等數(shù)據(jù)，可保證設(shè)備材料的正確選取及相應(yīng)的的耐熱處理。結(jié)論如下：①傳統(tǒng)套管式換熱器的設(shè)計(jì)存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力的弊端，本論文中利用三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對其建模，并將模型進(jìn)行簡化，對分析的結(jié)果以云圖和圖表的方式進(jìn)行解釋；②應(yīng)用Flow Simulation進(jìn)行數(shù)值仿真，對換熱器的換熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，比較逼真地模擬真實(shí)換熱器中的溫度、體積、流速、流量、材料、邊界層條件，能夠比較直觀地看到影響換熱系數(shù)的各個(gè)因素，所以，能在相關(guān)的實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行調(diào)整，盡可能地得到較大的換熱系數(shù)，從而提高換熱效率，提高生產(chǎn)效率，降低成本。

最后需要指出的是，本文計(jì)算出來的換熱系數(shù)只能給其他工程設(shè)計(jì)研究提供數(shù)據(jù)和依據(jù)，如果想進(jìn)一步解決工程中的實(shí)際問題，還需要與其他研究領(lǐng)域配合完成。

［1］高緒棟.管殼式換熱器的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

［2］陳卓如.工程流體力學(xué)［M］.第2版.北京：高等教育出版社，2008.

［3］劉燾.套管換熱器與翅片管換熱器的動(dòng)態(tài)分布參數(shù)仿真［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［4］蔡慧林，戴建強(qiáng)，席晨飛.基于SolidWorks的應(yīng)力分析和運(yùn)動(dòng)仿真的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（01）：49-78.

［5］楊敏.基于SolidWorks的圓管彎頭對水流的影響分析［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2009（05）：210-245.

TK172

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.141

2095－6835（2018）22－0141－02

臺州科技職業(yè)學(xué)院2018年度校級研究課題（課題編號：TKY2018089）

彭賢峰（1983—），男，山東聊城人，研究生，講師，研究方向?yàn)镃AD/CAE。

〔編輯：張思楠〕