CN107391807A - 基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法 - Google Patents

基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，先选择板翅式换热器的翅片型式和参数，然后在fluent软件中建立简单数学模型，再建立入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件，并设置求解器的具体参数；在定温下计算初始速度场和温度场，对入口空气加载一个随时间变化的入口温度，设定计算时长，整个过程记录并保存出口温度、换热量、压差的参数随时间的变化情况，重复得到传热因子和摩擦因子随着雷诺数的变化关系，本发明能够在不进行实验的情况下，利用单股流体与换热器本身的传热过程来获得换热器的传热与流动特性，让瞬态测试方法良好的应用板翅式换热器的性能研究与预测。

Description

基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法
技术领域
本发明涉及板翅式换热器技术领域，具体涉及一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法。
背景技术
板翅式换热器作为一种新型高效换热器，由于其结构紧凑、传热性能良好、适应性高等优点，已经被广泛应用于石油化工、天然气液化、低温法空气分离、工程机械、宇宙空间技术等行业。综合传热与制造成本，板翅式换热器与传统的管壳式换热器相比，其传热效率高20％～30％，成本可以降低50％。高效换热翅片及其传热与流动特性测试一直以来都是热力学工作者的主要研究方向之一。
翅片是板翅式换热器中最基本也是最核心的传热单元。不同型式和参数翅片所具有的雷诺数Re与传热因子j以及雷诺数Re与摩擦因子f的关系也不尽相同。各种不同类型的翅片导致通道内结构多样化，所以无论是实验手段还是计算方法上，换热器的传热与流动特性难以准确获取。当前常见的实验方法主要是稳态的测试方法，这种办法一般使用一个固定热源与空气进行换热，利用牛顿冷却定理和热平衡的方式获得空气侧的换热系数。这种方法一般实验系统复杂，每组工况都需要一定的时间让系统平衡，对于测试来说周期较长。另一种测试方式是瞬态测试方法，与稳态实验相比，瞬态方法具有测试周期短，实验设备简单等优点，但是这种测试方法当前应用板翅式换热器的测试并不多见，因为其数学模型的建立要求与试验件吻合程度较高，实验时测试精度要求也比较高。无论是哪一种方法都需要进行大量的实验才能得到所需要的性能结果，如果想要对比不同翅片不同工况下的换热和流动特性实验内容会非常繁重。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，为板翅式换热器的设计加工提供技术和实验支持，减少大量的实验时间，为翅片的性能预测提供一种选择。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，根据需要使用的流动和换热工况来选择板翅式换热器的翅片型式和参数；参数有翅片高度hf、翅片宽度sf、翅片厚度δf和翅片单元长度lf，翅片高度hf是指从锯齿型翅片最底边缘到最高边缘的距离，翅片宽度sf为相邻两个锯齿型翅片之间的距离；平直翅片仅包含翅片高度hf，翅片宽度sf、翅片厚度δf；
步骤二，根据步骤一中的参数在fluent软件中利用Gambit建立该种类型翅片的简化数学模型，对简化数学模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
步骤三，设置入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件，并设置求解器的具体参数；
步骤四，在给定300K的入口空气温度下通过求解器计算稳态换热的初始速度场和温度场，记录并保存计算结果；
步骤五，计算瞬态换热情况：根据实验数据事先设计一个随时间变化的温度曲线，在某一时刻将步骤四中的入口空气由恒定温度替换为随时间变化的温度，让换热器翅片和隔板与来流空气进行换热，设定计算时长，整个过程记录并保存换热器中各个位置的温度、换热量、压差参数随时间的瞬态换热数据；
步骤六，利用步骤五得到的瞬态换热数据，通过传热公式计算出该换热通道的传热因子j和摩擦因子f，并计算换热器中任意指定位置的换热和流动特性随着时间的变化情况，从而得到在该入口条件下换热器的瞬态换热和流动特性；
步骤七，重复步骤三到步骤六就获得一些列雷诺数Re下该板翅式换热器的传热和流动特性，从而得到在瞬态传热下的j-Re和f-Re关系曲线；
步骤八，在不同的翅片结构下重复以上步骤一到步骤七即获得不同结构板翅式换热器的传热与流动特性，并凭借计算结果来分析翅片结构对换热与流动特性的影响，从而对翅片选型和预测提供依据。
所述的步骤三中雷诺数在500～1800时之间时选择Laminar模型，雷诺数在1800～2500之间时选择k-omega模型，雷诺数在2500～3000之间时选择低雷诺数k-epsilon模型，同时均采用SIMPLE-C算法。
本发明的优点在于：一，瞬态数值模拟方法可以在不进行实验的情况下，利用单股流体与换热器本身的传热过程来获得换热器的传热与流动特性。本发明在部分常规翅片结构上获得了实验的验证，表明计算方法是可行与可靠的，从而让瞬态数值模拟方法良好地应用在板翅式换热器的性能研究与预测，以后可以推广到同类型其他尺寸的翅片计算当中，替代了繁琐的实验任务，大量的节约了人力和物力资源。二，相比于稳态的模拟方法，本发明能够获得更多的性能数据，由于换热中每一个位置的温度都在随时间变化，所以不仅能够得到换热器的平均换热系数，更能分析换热器中每一个点随时间变化的局部传热特性，给换热器的设计者提供更为直观的数据依据。
附图说明
图1是本发明涉及的翅片结构示意图。
图2为本发明实施例传热因子j和摩擦因子f实验结果与计算结果的对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤一，根据需要使用的流动和换热工况来选择板翅式换热器的翅片型式和参数；参照图1，参数有翅片高度hf、翅片宽度sf、翅片厚度δf和翅片单元长度lf，翅片高度hf是指从锯齿型翅片最底边缘到最高边缘的距离，翅片宽度sf为相邻两个锯齿型翅片之间的距离；平直翅片仅包含翅片高度hf，翅片宽度sf、翅片厚度δf；
实施例选取平直翅片，翅片类型为47PZ3002，翅片高度hf＝4.7mm，翅片宽度sf＝3mm，翅片厚度δf＝0.2mm，取流通长度L＝300mm；
步骤二,根据步骤一中的参数在fluent软件中利用Gambit建立该种类型翅片的简化数学模型；以平直翅片为例，每个通道的换热工况是几乎一致的，所以建立一个单通道的模型就可以体现翅片和通道的流动传热情况；对简化数学模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
为了计算的准确性，在流通通道之前设置了一段进口段，进口段的长度按照公式Le＝0.05RePrDh来确定，网格数目如下表；在计算前进行了网格无关性验证，对于雷诺数从500到3000的工况，网格数从7485012到12067380已完全符合计算要求；
Re Cells Faces Nodes Partitions
300 4028760 12325018 4265428 2
500 7485012 22782283 7810678 2
步骤三，设置入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件；并设置求解器的具体参数；对于雷诺数从500～3000的工况条件，换热器内的流动从层流一直过渡到湍流，因此雷诺数在500～1800时之间时选择Laminar模型，雷诺数在1800～2500之间时选择k-omega模型，雷诺数在2500～3000之间时选择低雷诺数k-epsilon模型，同时均采用SIMPLE-C算法。入口为速度入口，入口温度为实际空气温度，采用UDF模型编入Fluent进行计算。出口为压力出口，上下隔板的外壁面为绝热边界条件，流固接触面为耦合边界条件，初始温度为实验测得的温度初场，初始速度根据所计算雷诺数工况给定；采用非稳态计算模型，时间步长为0.1s，单个时间步长内最大迭代步数20次，能量方程残差为10-10，其他残差均为10-6；
步骤四，在给定300K的入口空气温度下通过求解器计算稳态换热的初始速度场和温度场，记录并保存计算结果；
步骤五，计算瞬态换热情况：根据实验数据事先设计一个随时间变化的温度曲线，在某一时刻将步骤四中的入口空气由恒定温度替换为随时间变化的温度，让换热器翅片和隔板与来流空气进行换热，设定计算时长，整个过程记录并保存换热器中各个位置的温度、换热量、压差参数随时间的瞬态换热数据；
实验获得的入口温度是一系列离散数据，将其拟合成温度和时间的曲线，通过UDF编程加载到空气的入口温度上，在0时刻开始进行该入口温度条件下的瞬态换热，设定计算时长25秒，整个过程记录并保存出口温度，换热量，压差的参数随时间的变化情况；
步骤六，利用步骤五得到的数据，通过传热公式计算出该换热通道的传热因子j和摩擦因子f，并计算换热器中任意指定位置的换热和流动特性随着时间的变化情况，从而得到在该入口条件下换热器的瞬态换热和流动特性；
步骤七，重复以上步骤三到步骤六就可以获得一些列雷诺数Re下该板翅式换热器的传热和流动特性，同时可以获得翅片中任意位置的局部传热特性；得到的瞬态传热下的j-Re和f-Re关系曲线，参照图2，对比计算得到的传热因子和实验结果，传热因子最大误差为10.7％，摩擦因子最大误差13.0％；
步骤八，在不同的翅片结构下重复以上步骤一到步骤七即可获得不同结构板翅式换热器的传热与流动特性，并可以凭借计算结果来分析翅片结构对换热与流动特性的影响。从而对翅片选型和预测提供依据。
从以上对比图可以看出，模拟得到的传热因子和摩擦因子与实验结果基本吻合，传热因子和摩擦因子与雷诺数的关系在换热器本身结构尺寸确定之后就是一个固有的关系，所以即使没有真实的实验数据，采用其他方式的入口温度也能得到同样的结果，可以认为这种计算方法是可行并可靠的，该方法能够应用于板翅式换热器流动与传热特性的测试与分析工作。

Claims (2)

1.一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据需要使用的流动和换热工况来选择板翅式换热器的翅片型式和参数；参数有翅片高度hf、翅片宽度sf、翅片厚度δf和翅片单元长度lf，翅片高度hf是指从锯齿型翅片最底边缘到最高边缘的距离，翅片宽度sf为相邻两个锯齿型翅片之间的距离；平直翅片仅包含翅片高度hf，翅片宽度sf、翅片厚度δf；
步骤二，根据步骤一中的参数在fluent软件中利用Gambit建立该种类型翅片的简化数学模型，对简化数学模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
步骤三，设置入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件，并设置求解器的具体参数；
步骤四，在给定300K的入口空气温度下通过求解器计算稳态换热的初始速度场和温度场，记录并保存计算结果；
步骤五，计算瞬态换热情况：根据实验数据事先设计一个随时间变化的温度曲线，在某一时刻将步骤四中的入口空气由恒定温度替换为随时间变化的温度，让换热器翅片和隔板与来流空气进行换热，设定计算时长，整个过程记录并保存换热器中各个位置的温度、换热量、压差参数随时间的瞬态换热数据；
步骤六，利用步骤五得到的瞬态换热数据，通过传热公式计算出该换热通道的传热因子j和摩擦因子f，并计算换热器中任意指定位置的换热和流动特性随着时间的变化情况，从而得到在该入口条件下换热器的瞬态换热和流动特性；
步骤七，重复步骤三到步骤六就获得一些列雷诺数Re下该板翅式换热器的传热和流动特性，从而得到在瞬态传热下的j-Re和f-Re关系曲线；
步骤八，在不同的翅片结构下重复以上步骤一到步骤七即获得不同结构板翅式换热器的传热与流动特性，并凭借计算结果来分析翅片结构对换热与流动特性的影响，从而对翅片选型和预测提供依据。
2.根据权利要求1所述的一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，其特征在于：所述的步骤三中雷诺数在500～1800时之间时选择Laminar模型，雷诺数在1800～2500之间时选择k-omega模型，雷诺数在2500～3000之间时选择低雷诺数k-epsilon模型，同时均采用SIMPLE-C算法。
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