高粘度流质下管壳式折流板开孔换热器换热性能的数值模拟

叶 萌，喻九阳，郑小涛，林 纬，郑 鹏，高 海

（武汉工程大学 机电工程学院， 湖北 武汉 430205）

高粘度流质下管壳式折流板开孔换热器换热性能的数值模拟

叶 萌，喻九阳，郑小涛，林 纬，郑 鹏，高 海

（武汉工程大学 机电工程学院， 湖北 武汉 430205）

通过数值模拟计算研究了4块弓形折流板管壳式折流板开孔换热器在高粘度流质下的强化换热性能。模拟结果表明，在高粘度流质中折流板开后换热器压力分布比未开孔前分布均匀些，温度分布同样遵循相似规律，未开孔折流板背根部会产生滞留区，并且滞留区随着速度的增大而增大，折流板开孔后会对流体产生扰动作用，从而改善滞留区，有助于强化传热。

折流板开孔；强化传热；数值模拟

换热器广泛应用于能源、石化、制冷空调、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行业领域中并在其中占有相当大的投资比例[1]。通过改进换热器的结构和换热管型以及通过增加流体的扰动来提高换热器的换热效率，对高效换热器的设计与研发有很大作用，对节能减排与提高能源利用率也有重大意义。管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用面广，是目前热力系统中最为常用的换热设备结构形式。

高粘度流体的传热在各种工业过程中都有广泛的应用，比如消毒杀菌，机械传动设备的润滑油的冷却等。然而，高粘度流体的强化传热过程中普遍存在着换热效率低的特点。因此，如何提高高粘度流体传热系数成了目前传热研究的一个重点[2]。

本文对高粘度流质下管壳式换热器进行了数值模拟，利用Fluent软件对折流板开孔和未开孔进行流场模拟，研究高粘度流质下开孔对换热效率的影响。

1 分析模型

本模型是模拟高粘度流质下四块折流板管壳式换热器在开孔和未开孔的换热效率，换热器总长1 632 mm，管长1632 mm，换热管根数12根，折流板厚度6 mm，管距是42 mm（图1）。其他的物性参数如下表1所示。

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

表1 流质物理性质Table 1 Fluid physical properties

2 计算方法及边界条件

本文利用Fluent软件对换热器进行模拟，分析了其内部的温度分布，压力分布，并利用软件对计算的结果进行后处理，得到具体的速度流场云图，为实验提供了充分的理论基础。

由于本模型是轴对称模型，故只需对模型进行二分之一建模，本文利用gambit2.4.6对模型进行建模和网格划分，网格类型是t-grid，interval size设为4，网格数量为216万。在分析中采用单精度求解器，非耦合稳态隐士求解（simplec），方程选择为Standard k-e Model（湍流模型）和Standard Wall Functions（标准壁面函数法）[3]。

边界条件：

管壁选为wall,温度设为293.15 ℃，进口选为inletflow，温度设为333.15 ℃，出口选为pressure outflow，其他边界设为wall。

在整个计算过程中分别分析比较了当入口速度为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 m/s时折流板开孔和未开孔的温度场，压力场。并且利用Fluent软件进行了后处理,分别得到对应的温度，压力，速度云图。

3 计算结果与分析

本文在计算中选取了多组速度梯度，对于温度场和压力场来说，折流板开孔在随着速度变化时温度场和压力场变化趋势比较稳定，折流板未开孔也同样符合这个规律，故而，就去当速度为0.5 m/s时，温度场和压力场云图来进行分析说明。

3.1 温度场分析

图2表示的是折流板未开孔时，当速度为0.5 m/s时换热器的温度场云图，图3表示的是折流板开孔时，当速度为0.5 m/s时换热器的温度场云图。

图2 未开孔折流板换热器温度场Fig.2 Temperature distribution of non-perforated baffle

图3 折流板开孔换热器温度场Fig.3 Temperature distribution of perforated baffle

对比可以看出，在折流板背根部分中折流板开孔比未开孔温度分布更加均匀，在折流板未开孔条件下的换热器折流板背根部可以明显观察到有温度滞留，不利于换热[4]。在开孔条件下的换热器折流板背根部温度场可以明显观察到有一定的温度梯度产生，说明开孔有利于热量的交换。

3.2 压力场分析

图4表示的是折流板未开孔时，当速度为0.5 m/s时换热器的压力场云图，图5表示的是折流板开孔时，当速度为0.5 m/s时换热器的压力场云图。可以从图4中看出以折流板未开孔时以折流板为界，压力分布呈现块状分布，明显分布不均匀。图5中可以看出压力分布比未开孔时压力分布均匀一些，说明折流板开孔后压力有所降低，这样对外界的动力要求就降低了，有助于节能。但本文只讨论了折流板数为4的情况，具体的一些分析有待进一步研究。

图4 未开孔折流板换热器压力场Fig.4 Pressure distribution of non-perforated baffle

图5 折流板开孔换热器温度场Fig.5 Pressure distribution of perforated baffle

3.3 速度场分析

如图6:a,b,c所示，在折流板未开孔的情况下，折流板背根部产生滞留区，并且随着速度的增大滞留区也呈增大趋势，因为在折流板背根部产生了滞留区，导致了温度的和压力的上分布不均匀，当折流板开孔后，如图6:d,e,f，从孔部分有一部分垂直与主流体方向的射流[5]，由于射流的产生，折流板背根部的滞留区的随之打破，加快了背根部流体的流动，增大了换热量。同时也正是由于滞留区的破坏从而使温度和压力场的分布变得更加均匀，有助于强化传热。

图6 折流板换热器速度云图Fig.6 Velocity distribution of heat exchanger with baffle

4 结论与展望

本文针对在高粘度流质下折流板开孔与未开孔换热器的传热效率进行了数值模拟，得到如下结论:

（1）高粘度流质中折流板背部同样存在滞留区，正因为如此产生了温度压力分布的不均匀。

（2）折流板开孔相比较于未开孔，其温度场与压力场均比未开孔时要分布均匀些，同时由于开孔后产生了射流，加速了流体在折流板背根部的扰流作用，进而对提高传热效率有一定的积极作用。

（3）本文只研究了四块折流板的情况，有关于压降的分析有待进一步加强，笔者接下来会对高粘度流质下折流板压降变化进行分析。

［1］林宗虎.强化传热及工程应用[M].北京:机械工业出版社,1985.

［2］丁聪.高粘度流体的传热强化研究进展[J].化工进展,2012,31:416-419.

［3］王为良.管壳式换热器壳侧流场数值模拟[D].北京：中国石油大学,2010.

［4］郑小涛，徐成.油封低温冷却器折流板开孔的传热性能[J].武汉工程大学学报,2012,34(9):62-65.

［5］喻九阳，徐成.低温油封冷却器折流板开孔性能机理研究[J].工程热物理学报,2014,35(2):371-374.

Numerical Simulation on the Performance of the Heat Exchanger With Perforated Baffle in High Viscosity Fluid

YE Meng，YU Jiu-yang，ZHENG Xiao-tao，LIN Wei，ZHENG Peng，GAO Hai
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The performance of heat exchanger with 4 baffles and 4 perforated baffles in high viscosity fluid was studied by numerical simulation. The results show that the pressure distribution of the heat exchanger with perforated baffles is more uniformity than that with non-perforated baffles, and so does the temperature distribution; there exists a stagnant zone at the back of the baffles, and the stagnant zone increases with the increase of the velocity. There will be an effect of disturbance when the baffle is perforated, which can improve the stagnant zone to enhance the heat transfer.

Perforated baffle; Heat transfer enhancement; Numerical simulation

TQ 051

A

1671-0460（2015）01-0212-03

2014-07-08

叶萌（1990-），男，湖北蕲春人，研究生在读，研究方向：化工过程机械。E-mail：137592302@qq.com。