CFD技术在平直和锯齿形板翅式换热器设计中的运用

前言
　　板翅式换热器由于其传结构紧凑、换热效率高、适用性广等特点，在空气分离、石油化工、航空航天、制冷空调等领域得到越来越广泛的应用［１］。由于板翅式换热器结构的复杂性，对其ＣＦＤ模拟的研究较少。通过对板翅式换热器的封头结构和导流片进行了ＣＦＤ模拟，提出了封头结构的改进方法［２］和研究了导流片的最佳导流角度［３］。Ｏｓａｍｕ　Ｔｏｎｏｍｕｒａ［４］　等人对平板式换热器进行了ＣＦＤ 模拟，对换热器结构进行了设计和优化。本文对平直形和锯齿形两种翅片形式的板翅式换热器的微通道进行了 ＣＦＤ 模拟，得到了流体在通道中流动与传热的特性，并对两种翅片结构的板翅式换热器的换热性能进行了比较，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据。
　　１　物理模型和求解
　　１．１ 物理模型及简化
                     
　　图 １ 为板翅式换热器两种翅片的结构示意图，都采用逆流单叠布置，冷热流体工质都为氦气。平直形翅片结构尺寸见图 １ａ，换热器长度为 ５００　ｍｍ；对于锯齿形翅片（如图 １ｂ 所示），由于换热器的结构非常复杂，要用 ＣＦＤ 软件模拟整个换热器的流动和传热是不现实的，所以本文做了如下简化假设：假设冷热通道的翅片宽度相同且排列一致，同时在流动方向上冷热通道翅片的锯齿长度和排列一致，则根据流动与传热的周期性，在换热器垂直截面和长度方向上分别计算如图１ｃ和１ｄ的二个截面进行计算。为了使计算能够进行，同时保证计算结果能反映锯齿形翅片换热器的真实特性，本文对 １４　ｍｍ（即 ４ 个周期单元）的翅片进行了模拟计算。
    １．２　控制方程组
     在本文的计算中，工质氦气为常物性不可压缩流体，描述其流动与传热的控制方程如下【５：】
                  
   式中：为密度，ｋｇ／ｍ３；ｐ 为压强，Ｐａ；μ为动力粘度，ｋｇ／（ｍ·ｓ）；Ｔ 为温度，Ｋ；ａ 为热扩散率，ｍ２／ｓ。
    １．３网格的划分
     采用 ＦＬＵＥＮＴ 的前处理软件 ＧＡＭＢＩＴ 生成计算网格。为了准确的模拟出微小通道内的流动和传热，同时又要控制网格的数目，采用给壁面加边界层和局部加密网格两种方法。平直形翅片计算长度 ５００ｍｍ，网格单元数为 ６００６５７ 个。锯齿形翅片的计算长度为 １４　ｍｍ，网格单元数为 １０３８１０４ 个。
    １．４　边界条件和收敛的判断
   　①、冷流体的入口边界为条件是单位面积质量流量为 ２．０ｋｇ／（ｍ２·ｓ），入口温度为 ３０　Ｋ，入口压强为 １００　ＫＰａ；热流体入口边界为条件是单位面积质量流量为４．６５　ｋｇ／（ｍ２·ｓ），入口温度为 ３００Ｋ，入口压强为 ８００Ｋ　Ｐａ。在模拟锯齿形翅片时，由于模拟的长度为从冷流体入口起 １４ｍｍ，为了使计算的结果能和平直形翅片作比较，其热流体的入口温度设为 ７４　Ｋ。冷热流体的出口采用压力出口边界；
    ②、模型上下左右四个面采用轴对称边界；
    ③、流体工质、翅片和隔板的两两相交面采用壁面边界的耦合类型；冷热流体的入口雷诺数（Ｒｅ）分别为 ４００ 和 ８００，算法采用ＦＬＵＥＮＴ 中的三维定常层流的分离解算器。在求解过程中，当连续性方程、动量方程和能量方程中变量的残差均不发生变化时，认为计算收敛。
    ２　计算结果与分析
    ２．１ 流体速度边界层分布
   图２分别显示了平直形翅片和锯齿形翅片换热器中距冷流体入口 ７ｍｍ处截面的速度场分布。将流体速度达到入口处速度的９９％处定义为边界层与主流区的分界处，本次计算中，冷热流体的入口速度分别为６．５ｍ／ｓ和１．６４　ｍ／ｓ。可以清楚地看到流体在锯齿形翅片中的速度边界层比在平直形翅片中的速度边界层薄，说明了与平直形翅片相比，锯齿形翅片对增加流体扰动、破坏边界层具有明显的作用。
                       
    ２．２　锯齿形翅片的温度场和速度场分布
   图３ａ显示了锯齿形翅片中热通道中间截面处的温度场分布，可以看到交错排列的翅片使流体在流动方向上产生的热边界层总是不断被破坏，使得锯齿形翅片比平直形翅片拥有更好的换热效果。图３ｂ显示了的中间截面处的速度矢量分布，从图中可以看到流体接近翅片时出现的分流，和流体离开翅片时在翅片尾部产生的微小旋涡。
               
    ２．３ 局部换热系数和压力的变化趋势
    从图 ４ａ 中可以看出冷热流体的换热系数都是
    随着温度的增加而增加（热流体沿Ｚ轴正方向流动，冷流体相反），这说明流体的局部换热系数受温度的
   影响；冷热流体在入口附近的局部换热系数都相对较大，这是因为从入口到层流充分发展段之间的区域内，流体的热边界层比较薄，因而有较高的局部换热系数。热流体的局部换热系数大约是冷流体局部换热系数的两倍，这是因为热流体的Ｒｅ数大约为冷流体Ｒｅ的两倍。从图４ｂ中可以看出流体的局部换热系数在相邻两排锯齿的交错面上出现突跃，这是因为流体受到翅片的扰动后边界层突然变薄，使流体在那里的换热突然增强。比较图４ａ和图 ４ｂ可以看到，相同情况下，锯齿形翅片的换热系数要大于平直形翅片的换热系数。从图５ａ中可以看到冷热流体的压力变化基本是线性的，在入口处变化较大，冷热流体的总压损大约在 ２５０Ｐａ和 ７５Ｐａ。从图 ５ｂ中可以看到冷热流体的压力变化也呈现出锯齿状，在锯齿的交错面上流体的压力出现突降，这是因为翅片对流体的阻挡造成的，冷热流体的压损大约为 ２５Ｐａ和 １０Ｐａ。
                       
                       
    ３　结论
    本文将 ＣＦＤ技术运用到板翅式换热器的设计领域，通过合理简化，建立了平直形和锯齿形两种翅片类型的换热器通道模型，对微小通道中流体的流动与传热进行了数值分析，并对计算结果进行了分析，比较了两种翅片中流体的边界层、局部换热系数和压力损失，从微观角度得出了锯齿形翅片高换热效率的根本原因，为板翅式换热器的设计和优化提供理论依据。