基于有限元的典型换热结构比较研究

张泽昀，钟 飞

（湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉430068）

换热器是一种广泛应用在化工、动力、食品、药业、轻工等工业领域的能源转换设备，在能源的有效利用上扮演了重要角色。换热器的结构会直接影响到能源利用率和能耗水平。因此，各国的学者们对换热器结构开展了大量的研究，并从中获得了许多重要的实验参数和模拟结果。在典型的换热结构中，换热器中的球凸结构已成为近年来比较热门的研究课题，文献[1-3]开展了球凸的直径、深度、间距和排布对其性能影响的研究，其结果能为球凸几何结构的优化提供实验依据。

本文围绕换热器结构对性能的影响开展研究，其主要内容是对整体尺寸相同，但是结构不同的三种换热器内部的温度分布进行了数值模拟，并从传热效率、流动阻力以及综合传热系数三个方面进行了比较和分析。

1 计算模型的建立

本章主要研究不同结构下换热器的热学性能。为了减少尺寸参数对性能的影响，换热器几何模型的整体尺寸保持不变，即长度为100mm，宽为15mm，高度是12mm，壁厚1mm。边界条件在不同换热器的数值模拟过程中也保持同样设置：换热器内部流体为空气，入口边界选择velocity inlet，入口速度设置10m/s，入口温度为300K，出口边界条件为outflow，壁面温度600K。激活能量方程，由于本研究属于低雷诺数流动，采用标准RNGκ-ε模型的模拟结果最接近实际测量值，因此本文选择RNGκ-ε湍流模型进行数值计算。不同结构换热器的数值模拟均在ANSYS中的ICEM模块中进行建模和非结构性网格划分，并在FLUENT模块中进行计算。……