FLUENT微通道换热器计算简单案例

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1 前言

    微通道换热器是借助特殊微加工技术制造的换热器，其当量水力直径通常小于1mm，这种换热器的最大特点是单位体积换热量相当大，耐高压，同时制造难度也较大。在进行微通道设计时，如果当量直径过小时，可能需要重点考虑微尺度效应，此时流动与传热的传统宏观理论公式则不再适用。今天我们做用FLUENT做一个简单的微通道换热器案例，当然了，能通过求解NS方程来仿真的微通道换热器其当量直径是够大的了。

2 模型与网格

    由于实际的换热器单元较多，流道数量很大，本案例只以对称面截取一部分进行计算。换热器长度60mm，宽度6mm，微通道的高度0.6mm，宽度1mm（当量直径0.75mm）。进行全六面体网格划分，结果如下，网格节点总数691096。

3 求解设置

    本案例中，我们假定介质在微通道换热器流道的流动状态为层流，故选择层流模型，打开能量方程。

    换热介质我们设定水/水、气/水两组，水和空气均采用默认物性，实际上应该根据温度情况设定对应的值。换热器本体材质为钢（steel），不考虑单元之间的连接造成的传热热阻（单元与单元建成一体模型）。

    换热器的入口均设置为速度入口边界，出口均为压力边界，按下列值设定，介质流向为逆流，除了上下面为symmetry边界，其余均为绝热壁面。

    其他求解设置保持默认。

4 计算结果

4.1 水/水换热

    首先，看一下换热器的整体温度分布如下。

    我们取热水侧的一个流道进行分析，传热面的平均温度为56.88℃，传热面的热流密度为162001.75W/m²，热水的平均温度为74.28℃，据此我们可以求得热水侧的换热系数为9309.91 W/m²℃，同时可求得努塞尔数为11.64。

    我们再看一下热水侧的进出口温度分别为80℃和75.13℃，冷水侧的进出口温度分别为26℃和32.16℃。通道的换热面积为9.6×10^-5m²，换热量为15.55W，据此可以求得换热器的对数平均温差为48.46℃，总传热系数为3342.4 W/m²℃。

    换热器的总换热量为46.66W，总体积为3.6×10^-7m³，因此单位体积传热量为129.58W/cm³。

    最后看一下冷热侧的流动阻力情况，热水侧的流动压损为11702.7Pa，冷水侧的流动压损为8814.1Pa，流动阻力还是挺大的。

4.2 气/水换热

    首先，看一下换热器的整体温度分布如下。

    同样，我们取热水侧的一个流道进行分析，传热面的平均温度为79.3℃，传热面的热流密度为1984.05W/m²，热水的平均温度为79.81℃，据此我们可以求得热水侧的换热系数为3980.3 W/m²℃，同时可求得努塞尔数为4.86。

    我们再看一下热水侧的进出口温度分别为80℃和79.55℃，冷空气侧的进出口温度分别为26℃和77.15℃。通道的换热面积为9.6×10^-5m²，换热量为0.19W，据此可以求得换热器的对数平均温差为17.28℃，总传热系数为114.51 W/m²℃。

    换热器的总换热量为0.572W，总体积为3.6×10^-7m³，因此单位体积传热量为1.59W/cm³。

    最后看一下冷热侧的流动阻力情况，热水侧的流动压损为11702.7Pa，冷空气侧的流动压损为643.86Pa。