浅谈板式换热器性能的数值模拟

王二龙

摘要：文章通过研究三角形凸台全傳接板式换热器的换热性能及阻力性能探究了板式换热器性能的数值模拟方法，文章具有一定的實用性和参考价值。

关键词：板式；换热器；数值模拟

板式换热器已经成为了各行业最重要的换热元件之一，其性能要求相对较高。为了进一步对其研究，有必要从数值模拟方面入手探究其性能的高效性与可靠性。

1 换热器的数值计算模型

1.1 物理模型

文中用于计算分析的模型为某三角形凸台板式换热器的一部分主换热区。为了对不同凸台倾角及间距几何参数所具有的换热性能与阻力性能的影响，其换热板片参数的设置情况如下表。

1.2 数学模型

为了进行数字模拟现对该模型做以下基本假设：

（1）文中涉及的流体介质均为连续介质，为此，文中采用无滑移的NavierStokes（NS）方程对流场进行求解；

（2）文中所模拟的流动均为定常流动，计算时不计重力与浮升力；

（3）文中介质所进行的流动均属于低速流动，流体流动因为粘性作用产生的耗散热效应都忽略不计；

（4）因为文中所涉及的流体流速都偏低，而且流体介质都属于不可压缩粘性流体，因此，可以不计压力以及温度给流体介质比热容及其粘性系数所产生的影响，基于以上分析，可以把通道中的流体介质设置为常物性；

（5）计算时，将入口流量在各层流面中的不均匀分布忽略，为此，文中认为进口来流均勾。

计算保证能量、动量以及质量守恒，式1、式2、式3为计算控制方程。

uxx+uyy+uzz=0（1）

uxuix+uyuiy+uzuiz=-1ρρxi+v2uix2+2uiy2+2uiz2（2）

uxtx+uyty+u2tz=a2tx2+2ty2+2tz2（3）

以上三式中，ux、uy、uz、ui：分别为x、y、z、i方向的流动速度分量，V为运动粘度，t为时间。

2 边界条件

在进行数值模拟的过程中，介质的入口边界设置为：速度进口，其进口温度设置为：350K。进口边界的湍流状态则通过设定湍动能以及湍动能耗散率进行确定。对于出口而言，其边界条件设置为：压力出口，其中，选定的压力值为一个大气压。壁面温度恒定，速度无滑移。

3 仿真与结果分析

本文计算采用三维稳态进行模拟，采用分离隐式进行计算求解。模拟选用SIMPLEC算法，对于湍流参数、动量以及能量的求解均选用二阶迎风差分格式。从图中不难看出，三角形凸台板式换热器内的介质的流动变化规律和人字形波纹板换热器内的流动规律雷同各倾角下都会发生 “十字交叉流”向“曲折流”的转变。

下图为不同间距下三角形凸台板片中流道的速度场矢量图。从图中不难看出，板间流动主要呈现“十字交叉流”状态，同时也存在小部分的“曲折流”。

（a）b=10.5mm（b）b=15mm

（c）b=20mm（d）b=25mm

（e）b=30mm

不同间距下三角形凸台板片中流道的速度场矢量图

4 结语

采用数值模拟手段对板式换热器性能的研究意义重大，其必将成为换热器发展的重要方向。

参考文献：

[1]杜文静，王飞，王坤，等.正六边形球面助板式换热器优化设计[J].工程热物理学报，2012，33（011）：19401943.

[2]郭春生，程林，杜文静.不同波纹比例新型板式换热器的传热、阻力特性及火用分析[J].中國石油大学学报（自然科学版），2012，36（2）：163167.