FLUENT板式换热器数值模拟之一

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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同的传热、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，再经过试验验证修改，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

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