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        熱交換器的設(shè)計與仿真分析

        2020-09-10 07:22:44孟俊濤
        內(nèi)燃機與配件 2020年18期

        孟俊濤

        摘要:為了研究流體在熱交換器中對燃氣輪機發(fā)動機機油的冷卻效果,我們就以流固耦合理論為基礎(chǔ),利用Catia軟件建立熱交換器的三維模型,并利用ANSYS對其進行流固耦合分析,結(jié)果表明:冷卻效果符合預(yù)期,結(jié)果合理可靠,滿足設(shè)計要求。

        關(guān)鍵詞:熱交換器;流固耦合;ANSYS

        0? 引言

        熱交換器是一種常見的熱交換設(shè)備,它主要是用來使熱量從高溫流體傳遞給低溫流體,以此滿足特定工藝要求的一種裝置,根據(jù)其具體的使用目的可以分為冷凝器、加熱器、冷卻器和汽化器,其應(yīng)用的基本原理就是熱傳導(dǎo)以及對流傳熱[1,2]。

        1? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

        新型套管式熱交換器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由兩部分組成,外部是冷卻劑流動層,用于冷卻套管內(nèi)部的高溫流體;內(nèi)部是熱交換器的套管,里面流動的是高溫機油。

        該熱交換器中起降溫作用的是外部冷卻劑流動層,它與熱交換器套管中的高溫機油通過逆流的方式,在熱交換器內(nèi)管壁進行對流換熱。具體流動方案如圖1所示,機油由左上方入口進入換熱器,從右下部出口流出,而冷卻水流動方向恰好與之相反,從右下方入口進入換熱器,從左上部出口流出,經(jīng)查閱相關(guān)資料可知,采用逆流的方式能夠更好的降低高溫機油的溫度[3,4]。

        2? 建模與仿真

        通過Catia軟件對熱交換器進行三維建模,如圖2所示,將繪制好的模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中的CFX分析模塊[5],對模型采用四面體網(wǎng)格劃分,只要網(wǎng)格的數(shù)量足夠多,四面體網(wǎng)格同樣能保證相同的精度[6],生成的網(wǎng)格圖3所示,ANSYS Workbench中包含有多種網(wǎng)格質(zhì)量檢查準(zhǔn)則,對于不同的分析項目而言,其所對應(yīng)的網(wǎng)格質(zhì)量檢查規(guī)則也就不一樣,我們選擇一種較為常用的網(wǎng)格質(zhì)量檢查規(guī)則,也就是Element Quality(單元質(zhì)量檢查),該數(shù)值越接近于1說明網(wǎng)格質(zhì)量劃分的越好,此次平均網(wǎng)格質(zhì)量為0.81,可以認為網(wǎng)格質(zhì)量滿足此次計算要求,如圖4所示,其中網(wǎng)格節(jié)點數(shù)180.4萬,網(wǎng)格單元數(shù)128.4萬。

        3? 邊界條件

        根據(jù)設(shè)計要求,保證機油出口溫度不得超過70℃,其中流經(jīng)套管內(nèi)的高溫機油入口邊界條件為質(zhì)量流量入口,質(zhì)量流量為0.02Kg/s,入口溫度為200℃;冷卻劑的入口邊界條件為質(zhì)量流量入口,質(zhì)量流量為0.4Kg/s,入口溫度為20℃;模型壁面采用默認的標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),無滑移邊界,采用二階迎風(fēng)格式進行計算[7,8],冷卻劑與機油的設(shè)置參數(shù)如圖5、圖6所示。

        4? 結(jié)果與討論

        觀察機油溫度分布云圖(圖7)可知,機油在有冷卻水的位置溫度較低,主要是因為此部分冷卻水流速較高,帶走了大量的熱量,彎曲部分溫度較高,約為90℃左右,最高溫度出現(xiàn)在機油入口處,為200℃,其中機油的出口溫度低于70℃,滿足設(shè)計要求;觀察熱交換器表面溫度分布云圖(圖8)可知,流經(jīng)冷卻劑管道的溫度較低,最高溫度出現(xiàn)在冷卻劑出口位置,不超過80℃,而流經(jīng)機油管道的溫度較高,其中最高溫度出現(xiàn)在管道彎曲部分,約為96.6℃。

        5? 結(jié)論

        以流固耦合理論為基礎(chǔ),利用catia軟件建立了熱交換器三維模型,并通過CFX軟件對其進行流固耦合分析,得到了機油的溫度分布云圖,結(jié)果表明:該換熱器能夠?qū)C油溫度降到合理安全范圍內(nèi),符合設(shè)計要求。

        參考文獻:

        [1]秦叔經(jīng),葉文邦.換熱器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

        [2]史美中,王中錚.熱交換器原理與設(shè)計[M].南京:東南大學(xué)出版社,2018.

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        [4]敖江麗,于海俠.換熱器順流和逆流方式應(yīng)用效果比較[J].中國氯堿,2014(11):32-33.

        [5]丁源.ANSYS CFX 19.0從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2020.

        [6]張秀杰,諶繼明,康偉山,等.ITER屏蔽包層屏蔽塊熱工水力分析[J].核聚變與等離子體物理,2010,30(03):267-271.

        [7]張海平,劉志軍,宋靜,等.熱交換器匯風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的流體分析[J].河南建材,2018(05):159-160,162.

        [8]王麗娟,張家銘,張海瀟,等.基于流固耦合的埋地供水管道地震響應(yīng)分析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2020,37(03):271-278.

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