FLUENT换热器模型相似试验模拟
正文共： 1083字 7图 预计阅读时间： 3分钟1 前言基于相似原理开展模型试验是装备开发的一个非常高效、经济的手段，之前我们做过一个相似原理的模拟（2022年6月19日推文，“一个多此一举的模拟——相似原理”）。今天，我们继续探讨一下相似原理，今天的案例相对复杂一点，以换热器为对象。2 建模与网格我们创建如下的套管换热器，逆流形式，长度0.6m，内外径分别为Φ40mm和Φ60mm，忽略壁厚的影响。划分六面体结构化网格，节点数约15.3玩，最小正交质量0.8。3 求解与讨论3.1原型假设换热器的性能是按下列参数设置的计算结果，物性参数是基于定性温度的值（进出口平均温度）。注意由于雷诺数很小，按层流计算。3.2 模型1假设由于某种原因，需要按5:1的比例尺开展缩小模型的试验，介质还是原来的介质不变。对于传热问题，由于努塞尔数（换热系数）通常是雷诺数和普朗特数的关联式，因此这种情况相对而言是简单的，因为物性参数不变，那么普朗特数自然是相似的，只需要调整流速即可实现雷诺数相似。雷诺数与特征长度成比例，因此为了使得雷诺数相似，模型缩小5倍后，流速应当放大5倍。因此，我们在FLUENT对模型进行笛卡尔坐标系下三个坐标轴按比例缩小5倍，同时修改流速至5倍大小，后重新计算。模型1的计算结果如下，可用看出各温度结果和原型完全一致，因此对数温差LMTD也一致，而流量随流速成比例变化，因此功率也缩小5倍，而换热面积缩小25倍，因此传热系数U放大了5倍，两侧的膜系数也按比例变化，这些变化规律可通过量纲分析来阐明。又由于努塞尔数和水力直径成比例（Nu=h*D/k），因此模型1的努塞尔数和原型是一致的。模型1和原型的阻力系数完全一致。综上，可用看出模型1和原型是相似的。3.3 模型2假设由于某种原因，无法采用原型的高温介质开展试验，但是尺寸不缩放，这种情况难度相对模型1较高，假设有如下的介质，恰好很好地满足普朗特数相似。这种其实是很难的，因为物性参数本身就与温度相关，因此需要找到定性温度下的普朗特数和原型基本相等的介质。而雷诺数相似却较好实现，因为只需要调整流速即可。我们看一下这种情况下的计算结果，很显然，换热系数、膜系数、努塞尔数和原型有较大差距，摩擦系数可以认为相似，因此模型2和原型不相似。我们分析一下，由于摩擦系数和雷诺数相关，因此雷诺数相似则摩擦系数相似，结果的偏差来自于计算误差。综上可知，对于换热器的整体模型试验，采用原型介质开展模型缩比试验很容易实现；但是采用原型尺寸，换其他介质开展试验是不现实的。不过，当研究对象不是换热器整体，而是研究冷侧或热侧的膜系数的相似试验，又是另外的情况了，我们以后讨论。来源：仿真与工程
