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        基于有限元的典型換熱結(jié)構(gòu)比較研究

        2021-08-23 02:36:02張澤昀
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年22期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        張澤昀,鐘 飛

        (湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢430068)

        換熱器是一種廣泛應(yīng)用在化工、動(dòng)力、食品、藥業(yè)、輕工等工業(yè)領(lǐng)域的能源轉(zhuǎn)換設(shè)備,在能源的有效利用上扮演了重要角色。換熱器的結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響到能源利用率和能耗水平。因此,各國的學(xué)者們對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)開展了大量的研究,并從中獲得了許多重要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和模擬結(jié)果。在典型的換熱結(jié)構(gòu)中,換熱器中的球凸結(jié)構(gòu)已成為近年來比較熱門的研究課題,文獻(xiàn)[1-3]開展了球凸的直徑、深度、間距和排布對(duì)其性能影響的研究,其結(jié)果能為球凸幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

        本文圍繞換熱器結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響開展研究,其主要內(nèi)容是對(duì)整體尺寸相同,但是結(jié)構(gòu)不同的三種換熱器內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,并從傳熱效率、流動(dòng)阻力以及綜合傳熱系數(shù)三個(gè)方面進(jìn)行了比較和分析。

        1 計(jì)算模型的建立

        本章主要研究不同結(jié)構(gòu)下?lián)Q熱器的熱學(xué)性能。為了減少尺寸參數(shù)對(duì)性能的影響,換熱器幾何模型的整體尺寸保持不變,即長(zhǎng)度為100mm,寬為15mm,高度是12mm,壁厚1mm。邊界條件在不同換熱器的數(shù)值模擬過程中也保持同樣設(shè)置:換熱器內(nèi)部流體為空氣,入口邊界選擇velocity inlet,入口速度設(shè)置10m/s,入口溫度為300K,出口邊界條件為outflow,壁面溫度600K。激活能量方程,由于本研究屬于低雷諾數(shù)流動(dòng),采用標(biāo)準(zhǔn)RNGκ-ε模型的模擬結(jié)果最接近實(shí)際測(cè)量值,因此本文選擇RNGκ-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。不同結(jié)構(gòu)換熱器的數(shù)值模擬均在ANSYS中的ICEM模塊中進(jìn)行建模和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分,并在FLUENT模塊中進(jìn)行計(jì)算。

        2 結(jié)果分析

        2.1 球凸結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器性能的影響

        本節(jié)主要對(duì)圓球形、橫向橢圓形和縱向橢圓形的三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1(a)中球凸的半徑為2.5mm,高度為2.5mm,相鄰兩球心之間的距離為10mm;圖1(b)中縱向橢圓形球凸的長(zhǎng)軸半徑為5mm,短軸半徑為2.5mm,相鄰兩球心之間的距離為10mm;圖1(c)中橫向橢圓形球凸的尺寸與縱向橢圓形球凸的尺寸完全一樣,相鄰兩球心的距離為16mm。

        圖1 球凸換熱器的三種結(jié)構(gòu)

        圖2(a)、(b)和(c)顯示的是三種球凸結(jié)構(gòu)換熱器的通道中截面溫度分布云圖,縱向橢圓形球凸的出口中心空氣溫度最高,其次是橫向橢圓形球凸,圓球形球凸的出口中心的空氣溫度最低。近壁面的溫度從高到低的排列順序是:縱向橢圓形球凸的最高,其次是圓球形球凸,橫向橢圓形球凸最低。這說明不同結(jié)構(gòu)的球凸對(duì)換熱器傳熱性能的影響較大,在縱向橢圓形球凸的布置方式下,同排兩個(gè)球凸之間的間距最小,空氣受到的沖擊更大,同時(shí)空氣與壁面的接觸面積也最大,兩者同時(shí)作用,造成這種結(jié)構(gòu)的傳熱效率最高;而在橫向橢圓形球凸的布置方式下,雖然同排兩個(gè)球凸之間的間距最大,對(duì)空氣的沖擊較小,但是空氣和壁面的接觸面積與圓球形球凸結(jié)構(gòu)相比更大,強(qiáng)化換熱效果優(yōu)于圓球形球凸結(jié)構(gòu)。

        圖2 三種球凸結(jié)構(gòu)換熱器的溫度分布云圖

        綜合上述分析,不同球凸對(duì)換熱器內(nèi)部流體的傳熱有明顯的影響。而縱向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)的傳熱性能都明顯優(yōu)于其他兩種結(jié)構(gòu),可以作為球凸結(jié)構(gòu)下,實(shí)際應(yīng)用中的首選方案。

        2.2 綜合性能比較

        換熱器的進(jìn)出口溫度差和速度變化分別可以直觀地表征其傳熱和阻力性能,而綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC則用來評(píng)估換熱器的綜合特性,其表達(dá)式為:

        式中,Nu表示換熱器的努塞爾數(shù),Nu0表示無凸起光管的努塞爾數(shù);f和f0分別表示換熱器和無凸起光管的阻力系數(shù)。以上三種結(jié)構(gòu)換熱器的努塞爾數(shù)、阻力系數(shù)與PEC值分別列入表1中。PEC值從大到小的排列依次是:縱向橢圓形球凸,圓球形球凸結(jié)構(gòu),30°傾角三角結(jié)構(gòu),15°傾角三角結(jié)構(gòu)和橫向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。

        表1 不同模型的進(jìn)出口溫度差、阻力系數(shù)和PEC

        對(duì)這一現(xiàn)象的解釋如下:不同結(jié)構(gòu)下,凸起部分使得通道收縮,流體流經(jīng)該區(qū)域時(shí)速度增大,靜壓力下降。經(jīng)過凸起之后通道擴(kuò)張,流體速度減小,靜壓力上升,并通過速度的改變發(fā)生流體分離和再混合,并產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu),沖擊近壁面的流體邊界層,提高綜合性能。凸起的高度越大,其綜合性能就越強(qiáng)。

        3 結(jié)論

        本文以數(shù)值模擬的方式,主要研究了三種不同結(jié)構(gòu)對(duì)換熱器通道內(nèi)空氣的流動(dòng)和換熱性能的影響。主要結(jié)論如下:縱向橢圓形球凸的強(qiáng)化換熱效果最好,其次是圓球形球凸,橫向橢圓形球凸的效果最差。通道中的空氣在縱向橢圓形球凸的出口中心速度最大,并且能觀察到明顯的渦旋結(jié)構(gòu);而橫向橢圓形結(jié)構(gòu)的出口中心速度最小。三種結(jié)構(gòu)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)PEC值從大到小的排列依次是:縱向橢圓形球凸結(jié)構(gòu),圓球形球凸結(jié)構(gòu),橫向橢圓形球凸結(jié)構(gòu)。這一排列順序與凸起高度從大到小的排列順序是一致的。本文的研究結(jié)果能對(duì)選擇和優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

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