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FLUENT板式换热器数值模拟之一

16天前浏览868
正文共: 1128字 8图     预计阅读时间: 3分钟

1 前言

板式换热器相比其他的换热器,具有结构紧凑、传热系数高的特点,广泛应用于各领域。板式换热器的换热片是设备的关键,其流道结构是核心,换热片决定了努塞尔数(传热)和阻力系数(压降)。不同的厂家的换热片具有不的传热、压降特性。进行换热器选型时,必须先有换热片的性能数据,包括曲线、关联式等。换热器的研发成本很大部分体现在前期的样机开模试制,采用CFD对设计的板片进行模拟,可以获得基于CFD技术的板片性能数据[1],对于降低研发成本,提高研发效率,具有非常重要的意义。本案例我们进行相关的模拟和探讨。

2 建模与网格

设计如下的波纹板片,并基于该板片组装成某换热器,假设换热片数量91,流道数45。
板式换热器的板片厚度通常小于1mm,流道高度也在数mm级别,而整个宏观结构尺寸(比如长、宽、高)又是数百甚至数千mm级别,尺寸跨度极其巨大,这种情形对于数值模拟而言,挑战巨大。因此,工程上试图对换热器整体进行模拟是不现实的,只能采取简化措施。如果计算机允许,可考虑取三片换热板,形成冷流体、热流体和固体形成的耦合换热单元,同时可以将角孔也考虑进去,这样就可以模拟了角孔的流量分配。或者,不考虑角孔的影响,如下图。
实际上,仅仅对上述的两流道流固耦合换热单元进行模拟,网格数量也是巨大的,譬如笔者的计算机就无法胜任。此时就需要进一步简化模型了,我们隐藏固体域,观察冷热流体域,发现流道在主流方向上具有周期性特点,因此可以通过周期性建模来实现进一步简化(下图的黑框)。不难发现,这个周期性单元在展向和流向均有周期性特点,当然,流向周期性需要特殊考虑(读者可以查看本号的历史文章)。遗憾的是,FLUENT没法对下图的黑框单元同时实现展向和流向周期性设置。必须指出的是,周期性是一个极其理想的条件,对于远离壁面的区域才可适用,应用在板式换热器会有一定误差,但是笔者认为这个误差是工程可接受的,先通过数值模拟,经过试验验证修改,可以大大降低研发成本。
本案例,我们取展向周期建模,但是对进出口流道进行了延展以降低入口段长度的影响,换热单元的性能参数计算都要基于单元自身尺寸。

3 边界条件与求解设置

流体物性采用定性温度下的值。
入口采用速度入口,速度值为流道平均速度,温度值为定性温度。
出口采用压力出口。
换热单元壁面采用恒温壁面,温度为另一侧流体的平均值。
本案例雷诺数约200,按层流考虑。

4 结果后处理

采用参考文献[1]所述方法对计算结果数据进行后处理,可以获得换热片的性能数据。注意,本案例仅仅对一个工况点进行了计算,如果要获取换热片的性能曲线或者关联式,则需要足够数量的计算工况样本。
本案例的换热片努塞尔数5.8,阻力系数0.18。
参考文献
[1] 板式换热器单相换热和压降数值模拟

来源:仿真与工程
Fluent试验
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首次发布时间:2024-11-14
最近编辑:16天前
余花生
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