基于CFD对换热器压损的研究

赵 奇，倪俊芳

（苏州大学机电工程学院,江苏苏州215021）

1 引言

换热器当前仍被大量使用在各个传统机械行业，针对空压机行业而言，换热器的性能直接决定了整个机器的好与坏，而对主要一个重要零件的性能检测还是通过实验台的检测来优化和控制，且经常出现样件破损，压损过大不合格等现象，导致重新设计和重新制作。

国外换热器的实验研究，最早始于20世纪中，也是通过大量的实验数据分析漏流，旁流等对换热器性能的影响。1949年，Tinker提出了Tinker流路法[8-9]。他根据换热器内部的流动特性，将流经翅片的流体进行分类。国外从事换热器实验研究的学者很多，通过大量实验，总结出一系列规律，为换热器事业做出了很大的贡献。在国内，对于管换热器的研究在进入20世纪90年代后，由于工业发展对换热器市场需求的增加而猛然增多。数值分析的方法对翅片管换热器进行分析研究出现在21世纪初[10]，随着计算机科学的快速发展，该种方法得到了科研人员的广泛采用。

此文准备将CFD分析引入到公司的一个案例产品上，主要利用数值分析的方法对现有结构重新模拟计算，寻找和校对产品的最大应力集中点，再对其进行流体分析和应力分析。针对分析结果做结构设计改善，争取可以解决同类产品的相同问题。

2 CFD分析的原理简介

针对研究中涉及的有限元及有限体积法理论，分析归纳有限体积法和有限元法应用关键技术，阐明数值分析机理等核心问题。

（1） 欧拉描述方法，一般对待对流体运动，其描述的过程会使用如下的方式，即时欧拉方法和拉格朗日和方法，通常的来说，对于数值的运算和数学方面的角度分析，欧拉方法是比拉格朗日方法相对简单一些的；对于拉格朗日[1]是通过用使用方程，实时监控流经某个位置的流体质点，观察其压力和速度随时间变化的情况，然而对于欧拉，是需要对流经整个区域的所有质点的情况进行追踪。欧拉方法对流体的描述方式参见下式

式中ρ——流体的密度，kg/m3

t——时间，s

u、v、w——x、y、z三个方向，m/s

（2） 对于湍流和边界层，一般状况下，管道内的所有流体会有层流和湍流2个区域[2]，本章中，关于竹制板材定型机的研究是湍流的问题，所以要对湍流中的波动性和随机性来考虑，若进行湍流现象控制方程求解，其涉及的各种计算工作非常复杂和庞大，必须要使用高性能计算机才能处理。

湍动能k方程

湍动耗散率ε方程

（3） 关于控制方程离散，在针对上面文章的论述，也对求解固体和液体的两相流问题所涉及的数学方法做了一定的叙述[3]。其涉及相关的控制方程，就可以使用一些输入条件，用来保证这些方程组可解，后续可以利用数学方法，如方程组的结果来解释这些问题。因为控制方式比较适用于流体的特性，多数也都是适用偏微分方程，依照现有的数学理论，非常困难的做出解答，所以一些常规方程的解答，我们会适用空间和时间2个角度对其控制和做离散处理，方便后续可以转换为常规方程，便于求解。

（4）对于边界中基础的条件，需要通过文章对一些数值做分析和论述，需要侧重说明的是求解流程的过程以及方法[5-7]。另外，针对现实问题所以进行的数值分析，仍要在数值模拟分析中对一定的边界条件来求解，从而可以确保外部的非定解的问题转换为定解的问题。针对瞬时状态的情况，关于第一层时间的Simulation中，还是需要考虑不同区域的节点，如节点的初始值设置等，可以更好的帮助在节点求解。

（5） SIMPLE的算法，它的功能主要体现在，通过使用压力的一个修正值初始数据给出第一组数据，后续会做连续的迭代以及修正，最终会无限靠近所需要的数值，从不断修正中可以求解到一个松弛因子，这个松弛因子等于修正项乘以一个系数，该系数的作用重大，会为降低每一次修正值的幅度大小，这样运用，可以让计算非常容易收敛，最大程度的降低迭代过程的震荡[4]。

3 翅片换热器的CFD分析

（1） 几何模型，根据模型CAD尺寸应用UG建立了压缩机的三维模型，根据计算需要对计算模型进行了部分简化，导出STP后导入Workbench的DM模块就行几何修补完善，如下图1所示。

该设备结构参数及工作环境参数如表1所示。

（2） 网格的划分，针对其结构进行网格的无关性做出分析，得出最佳网格，对翅片管束的部分网格进行局部加密，Meshing被用来针对对网格来划分，主要为六面体和四面体混合式结构，最后会找到适合于计算精度的网格。随后的研究和分析，在这种网格划分的尺度下进行了分析。

（3） 求解设置，采用Ansys WorkBench软件对模型进行分析，结构材料如下表所示，底座作为支撑面，其余面均自由伸展，首先对整个结构在工况下的温度进行分析，再在温度结果的基础上对应力应变进行分析。图2为材料力学性能随温度的变化情况规律。

图1 结构力学分析几何模型

图2 材料力学性能随温度变化曲线

表1 设备机器工作参数

表2为流体计算时所用的边界条件。

图3为本文分析段所采用的几何模型，为后冷机器出的预冷装置，本节主要针对该预冷装置进行压降分析，设计压降需要小于0.15bar，在保证换热效果前提下，压降越小越好，见图3所示：

在几何模型的基础上进行网格划分并求解，介质的密度为7.959 kg/m3，动力粘度为2.71×10-5m2/s，入口使用质量流入口，和出口选择压力出口到设定的压力至大气压0考虑到整个流是稳定状态，气体被认为是不可压缩流体，湍流模型使用第k-ε模式，并且所述几何模型是使用Ansys-mesh软件。网格屏幕截图详见图4。

表2 机器工作参数

图3 工况下设备的应力分布规律

图4 模型网格分布

在划分网格的基础上对模型进行求解计算。本节计算讨论了预冷器有入口管和没入口管的情况，进行了对比，结果显示区别不大，因此在实际参考中任意情况都可以作为最终参考结果，计算结果如图5所示。

从图5可以看出，有管和无管计算数值基本相同，见表3。

从表3可以看出，2种情况下管道内的压降均低于设计上限要求，因此该预冷器设计的压降是符合要求。但是从分布看，最大的压力损失位置在中间混合的位置，把中间位置的流线图放大，发现此处的流线非常混乱，见图6。

把棱角的位置全部修正为圆顺的相切曲线。更新模型重新做模拟分析，结果为8500Pa，比更新前的压损又进一步减小150 Pa，见表4。

图5 有管和无管时压降对比

表3 有管无管情况下压降值对比

图6 最大压降位置流线图

表4 更新模型后分析结果对比

4 结语

本文基于CFD分析对翅片式换热器的压损做了分析，以上分析表明，使用CFD可以分析出每个位置的压损占总压损的比例；通过流线图可以看出流线的紊乱程度，再通过对占比最大的位置做结构更新和改善，可以更直接有效地降低该产品的压力损失，达到既定的要求。

数值分析的结果为实际提供了方向和优化建议，并可以将优化建议应用于实际，较好地节约了重复设计和实验的成本。