CFD技术在平直和锯齿形板翅式换热器设计中的运用

　　技术研究RESEARCH在平直和锯齿形板翅式换热器设计中的运用bookmark1西安交通大学能源与动力工程学院祝银海ZhuYinhai，厉彦忠LiYanzhong传热理论分析来设计其结构形式，有周期长、投资大和研究结构有限的缺点。而通过计算流体力学（CFD）模拟计算可以在获得直观结果的同时大幅度地减少试验工作量。本文针对平直形和锯齿形两种不同翅片，通过对模型的合理简化，建立了翅片的物理模型，利用CFD软件FLUENT进行了模拟。计算得到了平直翅片和锯齿形片翅中流体的流场分布和传热特性，给出了两种情况下的局部换热系数和压力损失曲线。利用本文建立的模型，只需在计算时改变流体的材料和边界条件，就可以得到不同工质在不同工况时的换热情况。研究结果可以用于翅片结构的优化，为换热器设计提供指导。

　　前言板翅式换热器由于其传结构紧凑、换热效率高、适用性广等特点，在空气分离、石油化工、航空航天、制冷空调等领域得到越来越广泛的应用。由于板翅式换热器结构的复杂性，对其CFD模拟的研究较少。通过对板翅式换热器的封头结构和导流片进行了CFD模拟，提出了封头结构的改进方法和研究了导流片的佳导流角度等人对平板式换热器进行了CFD模拟，对换热器结构进行了设计和优化。本文对平直形和锯齿形两种翅片形式的板翅式换热器的微通道进行了CFD模拟，得到了流体在通道中流动与传热的特性，并对两种翅片结构的板翅式换热器的换热性能进行了比较，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据。

　　1.1物理模型及简化为板翅式换热器两种翅片的结构示意图，都采用逆流单叠布置，冷热流体工质都为氦气。平直形翅片结构尺寸见a，换热器长度为500对于锯齿形翅片（如b所示），由于家电科技（2006年3月号）专题论述换热器的结构非常复杂，要用CFD软件模拟整个换热器的流动和传热是不现实的，所以本文做了如下简化假设：假设冷热通道的翅片竞度相同且排列一致，同时在流动方向上冷热通道翅片的锯齿长度和排列一致，则根据流动与传热的周期性，在换热器垂直截面和长度方向上分别计算如c和1d的二个截面进行计算。为了使计算能够进行，同时保证计算结果能反映锯齿形翅片换热器的真实特性，本文对14nm（即4个周期单元）的翅片进行了模拟计算。

　　1.2控制方程组在本文的计算中，工质氦气为常物性不可压缩流体，描述其流动与传热的控制方程如下5：x方向动量方以腽+竽+空〉-4+嗡y方向动量方程/<学+学+-篆z方向动量方H竽+空——1+冷今令能量守恒方程+警宗+g+g）为密度，kg/n1；p为压强，Pa；以为动力粘度，2计算结果与分析2.1流体速度边界层分布分别显示了平直形翅片和锯齿形翅片换热器中距冷流体入口7nm处截面的速度场分布。将流体速度达到入口处速度的99处定义为边界层与主流区的分界处，本次计算中，冷热流体的入口速度分别为5n/s和L64n/s.可以清楚地看到流体在锯齿形翅片中的速度边界层比在平直形翅片中的速度边界层薄，说明了与平直形翅片相比，锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的作用。

　　锯齿形翅片的温度场和速度场分布a显示了锯齿形翅片中热通道中间截面处的温度场分布，可以看到交错排列的翅片使流体在流动方向上产生的热边界层总是不断被破坏，使得锯齿形翅片比平直形翅片拥有更好的换热效果。b显示了的中间截面处的速度矢量分布，从图中可以看到流体接近翅片时出现的分流，和流体离开翅片时在翅片尾部产生的微小旋涡。

　　（a）平直形翅片（b）锯逸形翅片团2换热器截面的速度等值线ffl（b）速度场；T为温度，K；a为热扩散率，rt/s. 1.3网格的划分采用FLUENT的前处理软件GAMBIT生成计算网格。为了准确的模拟出微小通道内的流动和传热，同时又要控制网格的数目，采用给壁面加边界层和局部加密网格两种方法。平直形翅片计算长度SOOnm，网格单元数为600657个。锯齿形翅片的计算长度为14nm，网格单元数为1038104个。

　　1.4边界条件和收敛的判断①、冷流体的入口边界为条件是单位面积质量流量为2.0kgAns），入口温度为30K，入口压强为100KPa；热流体入口边界为条件是单位面积质量流量为4.65kg"n2s），入口温度为300K，入口压强为800KPa.在模拟锯齿形翅片时，由于模拟的长度为从冷流体入口起14nm，为了使计算的结果能和平直形翅片作比较，其热流体的入口温度设为74K冷热流体的出口采用压力出口边界，模型上下左石四个面采用轴对称边界；③、流体工质、翅片和隔板的两两相交面采用壁面边界的耦合类型；冷热流体的入口雷诺数（Re）分别为400和800，算法采用FLUENT中的三维定常层流的分离解算器。在求解过程中，当连续性方程、动量方程和能量方程中变量的残差均不发生变化时，认为计算收敛。

　　2.3局部换热系数和压力的变化趋势从a中可以看出冷热流体的换热系数都是随着温度的增加而增加（热流体沿Z轴正方向流动，冷流体相反），这说明流体的局部换热系数受温度的影响；冷热流体在入口附近的局部换热系数都相对较大，这是因为从入口到层流充分发展段之间的区域内，流体的热边界层比较薄，因而有较高的局部换热系数。热流体的局部换热系数大约是冷流体局部换热系数的两倍，这是因为热流体的Re数大约为技术研究RESEARCH冷流体Re的两倍。从b中可以看出流体的局部换热系数在相邻两排锯齿的交锚面上出现突跃，这是因为流体受到翅片的扰动后边界层突然变薄，使流体在那里的换热突然增强。比较a和b可以看到，相同情况下，锯齿形翅片的换热系数要大于平直形翅片的换热系数。从a中可以看到冷热流体的压力变化基本是线性的，在入口处变化较大，冷热流体的总压损大约在250Pa和75Pa.从b中可以看到冷热流体的压力变化也呈现出锯齿状，在锯齿的交锚面上流体的压力出现突降，这是因为翅片对流体的阻挡造成的，冷热流体的压损大约为25Pa和10Pa. 3结论本文将CFD技术运用到板翅式换热器的设计领域，通过合理简化，建立了平直形和锯齿形两种翅片类型的换热器通道模型，对微小通道中流体的流动与传热进行了数值分析，并对计算结果进行了分析，比较了两种翅片中流体的边界层、局部换热系数和压力损失，从微观角度得出了锯齿形翅片高换热效率的根本原因，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据。