CN111310391B - 一种板翅式热交换器的仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种板翅式热交换器的仿真方法，包括：S1，选取热交换器中周期重复性的微结构，并将所述微结构进行网格划分；S2，使用不同仿真条件及对应的流体流动模型对所述微结构进行仿真，得到各仿真条件下的单位长度压降和翅片表面热流密度；S3，利用数值拟合方法分别构建所述单位长度压降、翅片表面热流密度关于仿真条件的函数；基于编写成的Fluent UDF程序在所需工况下对所述热交换器模型进行仿真得到进出口的总压降及换热量。本发明综合考虑了不同散热流道中流体流速、温度的变化对压降、传热的影响，经过与多款板翅式热交换器实验数据对比，仿真结果具备较高的精度。

Description

一种板翅式热交换器的仿真方法

技术领域

本发明涉及板翅式热交换器性能预测技术领域，特别是涉及一种板翅 式热交换器的仿真方法。

背景技术

板翅式热交换器在动力机械、化工、能源等领域应用广泛，因此开发 性能优异的热交换器有利于节约能源及保护环境。在工程研发阶段，当热 交换器的CAD模型设计完毕后，总是希望能在制造前得到其阻力及总换 热量等数据，这样有利于提前得知所设计热交换器是否符合性能要求。传统上，总是使用一些实验关联式来进行估算，但是这样的方法存在较大的 误差尤其是对于具有新结构的热交换器。

而近年来，计算流体力学(CFD)与计算机技术得到了迅速发展，使 得用计算机来预测热交换器的性能成为了可能，如今较成熟的CFD商业软 件有Fluent、CFX等。但是，由于热交换器中含有大量薄翅片等结构，使 用Fluent对其进行模拟将需要划分大量的网格，其计算量对于一般的计算机而言仍难以在有限时间内完成。目前，为了降低计算量，广泛使用的是 多孔介质方法。此方法通过多孔介质等效翅片对流体流动换热的作用，大 大降低了所需网格的数量。然而，在工程实践中发现，由于Fluent非热平 衡多孔介质模型中源项部分的换热系数为一常数，未能准确考虑不同散热 流道中流体流速、温度的变化对传热的影响，因此，其仿真结果中的传热 量与实验值总是存在较大的误差，尤其是对于流道众多、结构复杂的热交 换器。

发明内容

针对现有技术存在的Fluent非热平衡多孔介质模型未能准确考虑不同 散热流道中流体流速、温度的变化对传热的影响的问题，本发明提供一种 板翅式热交换器的仿真方法。

本申请的具体方案如下：

一种板翅式热交换器的仿真方法，包括：

S1，选取热交换器中周期重复性的微结构，并将所述微结构进行网格 划分；

S2，使用不同仿真条件及对应的流体流动模型对所述微结构进行仿 真，得到各仿真条件下的单位长度压降和翅片表面热流密度；

S3，利用数值拟合方法分别构建所述单位长度压降、翅片表面热流密 度关于仿真条件的函数；

S4，将所述单位长度压降关于仿真条件的函数、翅片表面热流密度关 于仿真条件的函数均编写成Fluent UDF程序；

S5，对整个热交换器模型进行网格划分，并为热交换器模型选择流动 模型；

S6，基于编写成的Fluent UDF程序在所需工况下对所述热交换器模型 进行仿真得到进出口的总压降及换热量。

优选地，在步骤S2和S5中，选择流动模型的选择原则均为：根据不同 仿真条件确定流动模型，当雷诺数Re<1000时，选择laminar模型，Re ≥1000时，选择realizable k-ε模型；微结构模型的入口边界条件选择质量 流量或速度，微结构模型的出口边界条件选择压力出口，流固耦合壁面选 择耦合边界条件，压力-速度耦合使用Simple算法。

优选地，微结构模型出入口压降计算方程：

其中，ΔP为单位长度压降，P_in为入口压力，P_out为出口压力，L_t为微 结构沿流体主流方向的长度。

优选地，所述单位长度压降关于仿真条件的函数为：

ΔP＝a₁v_i+a₂|v_i|v_i

其中，a₁、a₂为待求系数，下标i表示流体主流方向，v_i为i方向的流 体速度，根据不同仿真条件下的ΔP、v_i，可通过拟合方法求解a₁、a₂；

翅片表面热流密度关于仿真条件的函数：

HF＝f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)

其中，HF为翅片表面热流密度，T_h,in为热流体进口温度，T_c,in为冷流体 进口温度，V_h,in为热流体进口速度，V_c,in为冷流体进口速度。

优选地，所述对整个热交换器模型进行网格划分的步骤包括：热交换 器模型中的复杂结构区域使用非结构网格划分，规则区域使用结构网格， 在划分网格过程中，根据具体工况确定第一层网格的高度，并进行网格独 立性检验。

优选地，步骤S6还包括：单位长度压降通过动量源项的方式加载到 流体中以代替翅片对流体流动的阻力作用，即：

S_i＝-ΔP

式中，下标i表示流体主流方向，S表示i方向上的动量源项；

将热流密度函数代替非热平衡多孔介质模型中的传热系数；

式(1)和(2)分别为流体多孔介质模型方程及固体多孔介质模型方 程，其中，ρ_f、c_f、u_f、T_f、T_s、A_sf分别为流体密度、流体比热容、流体速 度、流体温度、固体温度、流固接触的翅片比表面积；

k_f,eff为流体的等效导热系数：

k_f,eff＝γλ_f

其中，γ为孔隙率、λ_f为流体导热系数；

k_s,eff为固体的等效导热系数：

k_s,eff＝(1-γ)λ_s

其中，λ_s为固体导热系数。

优选地，步骤S4包括：

S41，载入动量源项；

S42，载入修改后的非平衡热多孔介质模型；

S43，将翅片所在流道等分为n段，每段流体入口坐标为X₁,…,X_n；

S44，计算X₁,…,X_n所在截面的T_h,in、T_c,in、V_h,in、V_c,in；

S45，根据f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)计算实时的HF；

S46，判断流动传热是否达到稳态，若是，则计算结束；若否，返回步 骤S45。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过先对热交换器中周期重复性的微结构在不同工况(仿真条 件)下进行仿真得到单位长度压降关于仿真条件的函数、翅片表面热流密度关于仿真条件的函数，然后将这两个函数编写成Fluent UDF程序；最后 基于编写成的Fluent UDF程序在不同工况下对所述热交换器模型进行仿 真，这种方法准确考虑了不同散热流道中流体流速、温度的变化对传热的 影响，能够在不进行实验的情况下预测热交换器的总压降及换热量，并且精度较高，有利于减少实验工作，降低热交换器的研发成本及缩短研发周 期。具体如下：

(1)综合考虑了不同散热流道中流体流速、温度的变化对压降、传热的 影响，经过与多款板翅式热交换器实验数据对比，仿真结果具备较高的精 度。

(2)本发明的方法可以在板翅式热交换器制造前提前准确预测其压降、 换热性能，为热交换器的新品研发提供了一种技术方案。

(3)本发明的方法可以推广到具有周期重复性的其它热交换器的性能 预测中。

附图说明

图1为本发明的板翅式热交换器的仿真方法的示意性流程图。

图2(a)为本发明的板翅式热交换器的示意性结构图。

图2(b)为本发明的板翅式热交换器的微结构的示意性结构图。

图3为本发明的编写成的Fluent UDF程序的示意性流程图。

图4(a)为本发明的板翅式热交换器的换热量数据图。

图4(b)为本发明的板翅式热交换器的进出口压降数据图。

其中，11-热侧进口(V_h,in，T_h,in，P_in)，12-热侧出口(P_out)，21-冷侧 进口(V_c,in，T_c,in)，22-冷侧出口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种板翅式热交换器的仿真方法，能够准确考虑不同散 热流道中流体流速、温度的变化对传热的影响，为板翅式热交换器的性能 预测提供一种技术方案，提高热仿真精度。

参见图1，一种板翅式热交换器的仿真方法，包括：

S1，选取热交换器中周期重复性的微结构，并将所述微结构进行网格 划分；选取热交换器中具有代表性的周期重复性微结构，有利于减少网格 数量及计算时间成本；划分网格应根据具体工况确定第一层网格的高度， 并进行网格独立性检验。其中，本实施例的热交换器如图2(a)所示。所选 取的具有代表性的周期重复性的微结构如图2(b)所示。

S2，使用不同仿真条件及对应的流体流动模型对所述微结构进行仿 真，得到各仿真条件下的单位长度压降和翅片表面热流密度；其中，基于 仿真条件为所述微结构选择流动模型。

在本实施例，在步骤S2和S5中，选择流动模型的选择原则均为：根据 不同仿真条件确定流动模型，当雷诺数Re<1000时，选择laminar模型， Re≥1000时，选择realizablek-ε模型；微结构模型的入口边界条件选择质 量流量或速度，微结构模型的出口边界条件选择压力出口，流固耦合壁面 选择耦合边界条件，压力-速度耦合使用Simple算法，压力为二阶离散格式，动量及能量选择二阶迎风格式，如果为湍流，湍动能及湍流耗散率为 一阶迎风。连续性残差数值设置为1e-4，能量设置为1e-7，其余残差数值 及松弛因子保持默认形式。其余求解设置根据实际情况变化。

仿真完成后，将微结构模型每一仿真工况下的出入口压力、翅片表面热 流密度记录下来。微结构模型出入口压降计算方程：

其中，ΔP为单位长度压降，P_in为入口压力，P_out为出口压力，L_t为微结构沿流体主流方向的长度。

S3，利用数值拟合方法分别构建所述单位长度压降、翅片表面热流密 度关于仿真条件的函数；在本实施例，所述单位长度压降关于仿真条件的 函数为：

ΔP＝a₁v_i+a₂|v_i|v_i

其中，a₁、a₂为待求系数，下标i表示流体主流方向，v_i为i方向的流体速 度，根据不同仿真条件下的ΔP、v_i，可通过拟合方法求解a₁、a₂；通过最 小二乘拟合方法得到：

ΔP＝1.3×10⁵V_h,in+1.5176×10⁶|V_h,in|V_h,in

翅片表面热流密度关于仿真条件的函数：

HF＝f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)

其中，HF为翅片表面热流密度，T_h,in为热流体进口温度，T_c,in为冷流体 进口温度，V_h,in为热流体进口速度，V_c,in为冷流体进口速度。

考虑到冷热流体的温差为热传递的直接动力来源，所以当冷热流体温 度相等时，换热量为零，即：当T_h,in-T_c,in＝0，则HF＝0。因此，进一步假 设：

f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)＝f₁(V_h,in,V_c,in)·(T_h,in-T_c,in)²+f₂(V_h,in,V_c,in)·(T_h,in-T_c,in)

式中f₁与f₂分别为关于冷热侧流体进口速度的函数。根据不同条件下的 T_h,in、T_c,in、V_h,in、V_c,in、HF，可通过数值拟合方法获得函数f₁与f₂的表达 式：

S4，将所述单位长度压降关于仿真条件的函数、翅片表面热流密度关 于仿真条件的函数均编写成Fluent UDF程序；

S5，对整个热交换器模型进行网格划分，并为热交换器模型选择流动 模型；在本实施例，所述对整个热交换器模型进行网格划分的步骤包括： 热交换器模型中的复杂结构区域使用非结构网格划分，规则区域使用结构 网格，在划分网格过程中，根据具体工况确定第一层网格的高度，并进行网格独立性检验。

S6，基于编写成的Fluent UDF程序在所需工况下对所述热交换器模型 进行仿真得到进出口的总压降及换热量。

步骤S6还包括：单位长度压降通过动量源项的方式加载到流体中以 代替翅片对流体流动的阻力作用，即：

S_i＝-ΔP

式中，下标i表示流体主流方向，S表示i方向上的动量源项；

将热流密度函数代替非热平衡多孔介质模型中的传热系数；

式(1)和(2)分别为流体多孔介质模型方程及固体多孔介质模型方 程，其中，ρ_f、c_f、u_f、T_f、T_s、A_sf分别为流体密度、流体比热容、流体速 度、流体温度、固体温度、流固接触的翅片比表面积；

k_f,eff为流体的等效导热系数：

k_f,eff＝γλ_f

其中，γ为孔隙率、λ_f为流体导热系数；

k_s,eff为固体的等效导热系数：

k_s,eff＝(1-γ)λ_s

其中，λ_s为固体导热系数。

参见如图3，步骤S4包括：

S41，载入动量源项；

S42，载入修改后的非平衡热多孔介质模型；

S43，将翅片所在流道等分为n段，每段流体入口坐标为X₁,…,X_n；

S44，计算X₁,…,X_n所在截面的T_h,in、T_c,in、V_h,in、V_c,in；

S45，根据f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)计算实时的HF；

S46，判断流动传热是否达到稳态，若是，则计算结束；若否，返回步 骤S45。

利用编写成的Fluent UDF程序，对4种工况下的热交换器进行仿真分 析，并进行必要的后处理，获得的进出口总压降、换热量参见图4(a)、4 (b)。图4(b)、4(a)中热交换器的进出口压降、换热量的仿真数据精 度分别在-9.7％、-9.2％以内，证明本发明的方法能够有效准确地预测热交换器性能，为热交换器的新品研发提供了一种技术方案，具有重大的工程 意义。

部分的仿真条件及其相对应的ΔP及HF如表1所示：

表1部分仿真条件及其相对应的ΔP及HF

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和 详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对 于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的 保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种板翅式热交换器的仿真方法，其特征在于，包括：

S1，选取热交换器中周期重复性的微结构，并将所述微结构进行网格划分；

S2，使用不同仿真条件及对应的流体流动模型对所述微结构进行仿真，得到各仿真条件下的单位长度压降和翅片表面热流密度；微结构模型的入口边界条件选择质量流量或速度，微结构模型的出口边界条件选择压力出口；出入口压降计算方程：

其中，ΔP为单位长度压降，P_in为入口压力，P_out为出口压力，L_t为微结构沿流体主流方向的长度；所述单位长度压降关于仿真条件的函数为：

ΔP＝a₁v_i+a₂|v_i|v_i

其中，a₁、a₂为待求系数，下标i表示流体主流方向，v_i为i方向的流体速度，根据不同仿真条件下的ΔP、v_i，可通过拟合方法求解a₁、a₂；

翅片表面热流密度关于仿真条件的函数：

HF＝f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)

其中，HF为翅片表面热流密度，T_h,in为热流体进口温度，T_c,in为冷流体进口温度，V_h,in为热流体进口速度，V_c,in为冷流体进口速度；

S3，利用数值拟合方法分别构建所述单位长度压降、翅片表面热流密度关于仿真条件的函数；

S4，将所述单位长度压降关于仿真条件的函数、翅片表面热流密度关于仿真条件的函数均编写成Fluent UDF程序；

S5，对整个热交换器模型进行网格划分，并为热交换器模型选择流动模型；

S6，基于编写成的Fluent UDF程序在所需工况下对所述热交换器模型进行仿真得到进出口的总压降及换热量；所述步骤S6，还包括以下步骤：

所述单位长度压降通过动量源项的方式加载到流体中以代替翅片对流体流动的阻力作用，即：

S_i＝-ΔP

式中，下标i表示流体主流方向，S表示i方向上的动量源项；

将热流密度函数代替非热平衡多孔介质模型中的传热系数，如下式：

式(1)和(2)分别为流体多孔介质模型方程及固体多孔介质模型方程，其中，ρ_f、c_f、u_f、T_f、T_s、A_sf分别为流体密度、流体比热容、流体速度、流体温度、固体温度、流固接触的翅片比表面积；

k_f,eff为流体的等效导热系数：

k_f,eff＝γλ_f

其中，γ为孔隙率、λ_f为流体导热系数；

k_s,eff为固体的等效导热系数：

k_s,eff＝(1-γ)λ_s

其中，λ_s为固体导热系数。

2.根据权利要求1所述的板翅式热交换器的仿真方法，其特征在于，在步骤S2和S5中，选择流动模型的选择原则均为：

根据不同仿真条件确定流动模型，当雷诺数Re<1000时，选择laminar模型，Re≥1000时，选择realizable k-ε模型；流固耦合壁面选择耦合边界条件，压力-速度耦合使用Simple算法。

3.根据权利要求1所述的板翅式热交换器的仿真方法，其特征在于，所述对整个热交换器模型进行网格划分的步骤包括：

热交换器模型中的复杂结构区域使用非结构网格划分，规则区域使用结构网格，在划分网格过程中，根据具体工况确定第一层网格的高度，并进行网格独立性检验。

4.根据权利要求1所述的板翅式热交换器的仿真方法，其特征在于，步骤S4包括：

S41，载入动量源项；

S42，载入修改后的非平衡热多孔介质模型；

S43，将翅片所在流道等分为n段，每段流体入口坐标为X₁,…,X_n；

S44，计算X₁,…,X_n所在截面的T_h,in、T_c,in、V_h,in、V_c,in；

S45，根据_f(T_h,in,T_c,in,V_h,in,V_c,in)计算实时的HF；

S46，判断流动传热是否达到稳态，若是，则计算结束；若否，返回步骤S45。