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异型管强化换热模拟

8月前浏览11236

本文摘要(由AI生成):

本文通过数值模拟的方法,研究了横向波纹管在周期性流动换热中的强化换热性能。文中首先介绍了研究背景和意义,然后详细描述了建模与网格划分、边界条件与求解设置的过程。计算结果表明,采用 3 方程模型进行模拟是可行的,阻力系数和努塞尔数的计算结果与试验关联式相差不大。文中还给出了横向波纹管的进出口温度、壁面平均温度、压力梯度迭代收敛曲线、努塞尔数和阻力系数等关键结果,并基于这些结果计算得到了同功耗换热强化评价指标 PEC。最后给出了参考文献。


正文共: 1365字 12图    预计阅读时间: 4分钟

1 前言

换热器在化工、能源行业是非常普遍也是非常重要的部件,换热器的换热性能和体积有紧密的联系,换热性能较差,则设备体积会庞大,因此,提高换热器的性能(换热系数)是非常有意义的。异型管 (横纹管、螺纹管等) 由于具有强化换热性能好,易于加工制造,便于在役检测及维修等特点,被广泛用于各种管壳式换热器之中[1]。今天,我们做一个简单的波纹管强化换热案例。

2 建模与网格

创建如下的换热管段,其中各参数为:p=17mm,e=0.68mm,d=17mm。读者朋友可以发现,这个管段长度和管径之比是非常小的,通常如果采用进口边界和出口边界,这个管段长度是远远不够的,因为要考虑入口段长度的影响。本案例我们采用周期性边界,这种处理方式常常用在换热设备的基本换热单元性能的模拟,如果对整个换热设备进行离散化,那么需要的计算代价是很大的,对于基本换热单元的研究也没有这个必要。划分多面体网格,注意为了后续和湍流模型适应,我们需要调整第一层网格高度,使得y+≈1(可能存在迭代,试算后若不合格再返回网格划分),节点数约102.4万,最小正交质量0.4。我们在fluent meshing模块划分网格,因此在划分面网格后就可以指定周期性边界(一对面,分别为进口和出口)。

3 边界条件与求解设置

开启能量方程。
介质采用默认的空气。
本案例考虑到波纹结构附近流体可能存在层流到湍流的过渡流动,因此我们采用3方程湍流模型,对于层流到湍流的过渡问题更擅长。
进口和出口都是周期性边界,注意是平移周期。
壁面设置常热流密度,也就是第二类边界条件,热流密度值50000W/m2
周期性边界按如下设置,本案例我们定义质量流量,对于很多实际问题,流量通常是已知。定义流量后,无需再定义压力梯度,该值由迭代计算产生。设置上游主流温度,这实际上可以认为是一个基准温度,设置流动方向(注意不能弄错)。根据实际需求,设置松弛因子和迭代次数,通常采用默认值就可以。
注意,启用周期性边界后,软件会自动定义两个变量periodic-bulk-temperature-ratio和periodic-pressure-gradient,前者用在常温边界条件,后者即为压力梯度,这两个变量可以用于创建监视器,以监测计算收敛情况。

4 计算结果

为了验证采用3方程模型的可行性,我们先用光滑管进行模拟,并将努塞尔数和阻力系数同参考文献的试验关联式结果进行对比,如下表,可以看出阻力系数和试验关联式相差2.22%,努塞尔数和试验关联式相差7.1%,结果还是相当可靠的。
我们先看一下横向波纹管压力梯度迭代收敛曲线,可以看出达到了收敛状态,约为-858.32Pa/m,流动方向上压力是减小的,因此梯度是负值。
我们看一下横向波纹管的进出口温度(计算方法参考之前关于周期性流动换热的模拟案例),温升约为16.3K。
壁面平均温度约为1227.9K
基于上述结果,可以计算得到横向波纹管的努塞尔数Nu为90.49,阻力系数f为0.0596,
在强化换热过程中,换热强化和流动阻力增加常同时存在且流动阻力的增加幅度更大。为综合考虑二者的影响,采用同功耗换热强化评价指标。该指标对比了相同功耗下强化换热管和光滑管的强化换热性能,PEC > 1 表明强化换热管具有更好的综合性能。本案例波纹管的PEC数为1.49。
参考文献
[1] 高温气冷堆中间换热器异型管强化换热研究

来源:仿真与工程
MeshingFluent MeshingFluent湍流试验
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首次发布时间:2024-03-19
最近编辑:8月前
余花生
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