基于SolidWorks Flow Simulation的換熱器流場(chǎng)仿真分析及優(yōu)化

陳 粵，趙高暉，仲梁維，曹 萌

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于SolidWorks Flow Simulation的換熱器流場(chǎng)仿真分析及優(yōu)化

陳 粵，趙高暉，仲梁維，曹 萌

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

換熱器廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，換熱效率關(guān)乎相關(guān)行業(yè)的整體效益，如何提高換熱器的換熱效率是換熱器設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。得益于3D打印成型技術(shù)的快速發(fā)展，新型網(wǎng)格狀熱交換管得以加工實(shí)現(xiàn)。相比傳統(tǒng)的熱交換管，新型網(wǎng)格狀熱交換管單位體積的換熱面積、換熱系數(shù)大幅度提高，換熱效率成倍提升。使用SolidWorks軟件構(gòu)建了新型網(wǎng)格狀換熱器三維模型，并使用SolidWorks Flow Simulation模塊對(duì)其進(jìn)行了流體仿真及換熱優(yōu)化。

網(wǎng)格狀管式換熱器；換熱效率；SolidWorks Flow Simulation；流體仿真

0 引言

換熱器是指兩種不同溫度的流體之間進(jìn)行熱量交換的裝置，又稱熱交換器[1]。換熱器應(yīng)用非常普遍，涉及日常生活取暖用的暖氣散熱片、航天火箭上的油冷卻器和汽輪機(jī)裝置中的凝汽器以及核電站中的蒸汽發(fā)生器等諸多方面。換熱器因其應(yīng)用領(lǐng)域不同而種類繁多，從傳熱面的形狀和結(jié)構(gòu)分類，可分為板型、管型和其它換熱器。管型換熱器分3類：管殼式、蛇管式、套管式。其中管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟、適用面廣，是目前國(guó)內(nèi)外換熱器中的主流產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的管殼式換熱器[2-4]由殼體、管板、傳熱管束(熱交換管)和管箱等部件構(gòu)成。管束固定在管板上，通過(guò)管板與外殼連成一體。進(jìn)行熱交換的流體溫度不同，分別在熱交換管內(nèi)、外(殼程內(nèi))流動(dòng)。殼體通常間隔安裝若干折流板以增加管外流體流速，增強(qiáng)流體湍動(dòng)程度，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)。

管殼式換熱器的傳熱性能研究有兩個(gè)方向：①?gòu)?qiáng)化換熱器熱交換管傳熱[5-8]，以提升換熱器中熱交換管內(nèi)外流體與管壁間的對(duì)流換熱系數(shù)，從而達(dá)到提高換熱器換熱效能的目的；②從可用能的角度研究換熱器熱力學(xué)優(yōu)化，包括換熱器的熵產(chǎn)分析等，從傳熱過(guò)程不可逆性的最小角度來(lái)優(yōu)化換熱器。

本文以廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)換熱器為研究對(duì)象，以提高換熱效率為目的，結(jié)合新興3D打印技術(shù)[9]及SolidWorks軟件中的流體仿真模塊Flow Simulation，對(duì)換熱器的熱交換管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的網(wǎng)格狀熱交換管換熱器進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1 熱交換管內(nèi)外流固耦合及優(yōu)化原理

1.1 熱交換管流固耦合

本文使用三維幾何建模軟件SolidWorks進(jìn)行換熱器的實(shí)體建模，導(dǎo)入Flow Simulation分析模塊完成分析前的準(zhǔn)備工作。

首先定義換熱器中熱交換管的熱/冷流體出入口、計(jì)算域及不同流體的流體屬性、熱屬性、環(huán)境屬性等載荷和邊界條件；然后對(duì)換熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義求解目標(biāo)、求解控制；最后繪制換熱器流場(chǎng)分布(溫度場(chǎng)分布、流速分布等)云圖。

換熱器中熱交換管內(nèi)外流固耦合熱傳遞計(jì)算：計(jì)算流體與固體以及流固交界面處的熱量傳遞。依據(jù)熱力學(xué)理論，在熱交換管流固交界面處，熱交換管內(nèi)的熱流體所傳遞的熱量等于熱交換管的溫升及熱交換管外冷流體所吸收的熱量之和。流體部分廣泛采用k-ε湍流模型來(lái)計(jì)算流體與壁面間的對(duì)流換熱邊界條件。標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流連續(xù)性k方程和ε方程為[10]：

(1)

1.2 熱交換管優(yōu)化原理

從傳熱過(guò)程的熱量傳遞方程及熱平衡方程[11]可以看出，增大傳熱系數(shù)、增大傳熱面積和增大平均溫差都可提高換熱器的換熱效率。因此，從以下3個(gè)方面考慮換熱器的設(shè)計(jì)及改進(jìn)工作。

(1)擴(kuò)展有效換熱面積。擴(kuò)展熱交換管表面，不僅增加了冷熱流體的熱交換面積，而且阻止了流體邊界層的連續(xù)發(fā)展，提高了流體擾動(dòng)程度，增大了換熱系數(shù)，從而強(qiáng)化熱交換管換熱效果。

(2)增大平均溫差。增加平均換熱溫差通常采用兩種方法：①在冷、熱流體進(jìn)口溫度一定時(shí)，通過(guò)布置不同的換熱面來(lái)改變平均換熱溫差。通常情況下，逆向流動(dòng)可獲得的平均換熱溫差最大；②擴(kuò)大冷、熱流體進(jìn)口溫度的差別，以此獲得較大的平均傳熱溫差。

(3)提高總換熱系數(shù)。提高總換熱系數(shù)是強(qiáng)化傳熱研究的重點(diǎn)。要提高總換熱系數(shù)k值[12]，就必須減少各項(xiàng)熱阻。常用方法有：①擾流裝置。將擾流裝置放置在熱交換管流道內(nèi),可以改變近壁區(qū)域的流體流動(dòng)，增加流體的湍流強(qiáng)度，減小邊界層厚度，從而間接增強(qiáng)換熱表面的熱量傳輸，這種方法主要用于強(qiáng)制對(duì)流換熱[13]；②漩渦流裝置。漩渦流裝置可以通過(guò)不同的幾何布置或管內(nèi)插入物來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，諸如內(nèi)置漩渦發(fā)生器、紐帶插入物以及帶有螺旋形線圈的軸向芯體插入物等。該類裝置都是通過(guò)增長(zhǎng)流道長(zhǎng)度，使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)流動(dòng)或者二次流動(dòng)，增強(qiáng)流體的徑向混合，以此促進(jìn)流體速度、溫度分布的均勻性，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化換熱效果目的[14]。

本文主要從擴(kuò)展有效傳熱面積、增加漩渦流裝置等方面對(duì)換熱器中的直圓管式熱交換管進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以此提升換熱器的綜合傳熱效率。

2 直圓管式與網(wǎng)格狀熱交換管模型比較

網(wǎng)格狀熱交換管換熱器殼體的形狀、尺寸與直圓管式熱交換管換熱器保持一致，即換熱器的殼程及殼程容積保持不變，在此基礎(chǔ)上，將換熱器中的熱交換管優(yōu)化設(shè)計(jì)為網(wǎng)格狀熱交換管。網(wǎng)格狀熱交換管主要增加了各直管間的類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接岔道，將直圓管式熱交換管管束中的各單管連為一體。在殼程容積不變的情況下既增加了熱交換管的換熱面積，又增加了流體的湍動(dòng)性；同時(shí)單根管外壁都開(kāi)有螺旋導(dǎo)流槽，在熱交換管管束最外圈增加一根連通螺旋管，引導(dǎo)管內(nèi)外流體形成漩渦流，進(jìn)一步增大了熱交換管的換熱效率，如圖1～圖2所示。

圖1 直圓管式熱交換管

圖2 網(wǎng)格狀熱交換管

熱交換管外形參數(shù)如表1所示。

表1 換熱器熱交換管尺寸參數(shù)

熱交換管材料參數(shù)如表2所示。

表2 換熱器固體材料物理特性

3 換熱器仿真流程及參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 基于Flow Simulation的換熱器仿真計(jì)算流程

SolidWorks Flow Simulation仿真流程如圖3所示。

圖3 換熱器流體仿真流程

3.2 邊界條件及初始化條件設(shè)定

迭代前，必須給定適合的邊界條件及初始條件[15]。初始條件為數(shù)值計(jì)算t=0時(shí)的各個(gè)物理量。對(duì)于管殼式換熱器，其邊界條件主要為進(jìn)口、出口、壁面、接觸面熱阻及流固耦合面邊界條件。

(1)入口邊界條件：分別設(shè)置在管程和殼程的兩個(gè)入口處，方向與兩個(gè)入口的法向方向平行。殼程設(shè)置為質(zhì)量流量入口，指定流體溫度和湍流狀態(tài)。管程設(shè)定質(zhì)量流量和流體溫度。

(2)出口邊界條件：殼程設(shè)置為壓力出口；管程為環(huán)境壓力出口，指定為軟件默認(rèn)值。

(3)耦合邊界條件：管程和殼程的流固耦合面上，管程與殼程的流體溫度分別與屬于自身一側(cè)的壁溫相等。

(4)壁面邊界條件：設(shè)置在管壁和折流板的流固結(jié)合面上，定義為無(wú)滑移、光滑、絕熱壁面。

(5)初始化條件：定義換熱器各部件初始溫度為常溫。

具體邊界條件數(shù)值如表3所示。

表3 邊界條件參數(shù)

4 換熱器流體仿真計(jì)算結(jié)果分析

4.1 Flow Simulation仿真驗(yàn)證

進(jìn)行網(wǎng)格狀熱交換管換熱器流體仿真計(jì)算前，采用仿真-試驗(yàn)相結(jié)合的驗(yàn)證方法驗(yàn)證仿真軟件、仿真方法、模型離散化等是否正確。

鑒于3D打印快速成型技術(shù)的成本問(wèn)題，取已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的ERG換熱器(圖4)模型[16]來(lái)驗(yàn)證，與實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件完全一樣的邊界條件和載荷進(jìn)行Flow Simulation仿真計(jì)算。

用紅外測(cè)溫儀在換熱器外壁面沿管軸線方向取9個(gè)測(cè)量點(diǎn)(圖5)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖6)，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)非常接近，9個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均誤差為2.9%，最大誤差為3.83%，均在允許的誤差值(≤10%)內(nèi)，因此仿真結(jié)果合理、準(zhǔn)確。

圖4 廢氣再循環(huán)換熱器(EGR)模型

圖5 換熱器溫度測(cè)量點(diǎn)分布

4.2 網(wǎng)格狀與直圓管式熱交換管換熱器計(jì)算結(jié)果分析

利用SolidWorks 軟件中的Flow Simulation 模塊迭代計(jì)算后，繪制換熱器對(duì)稱面的溫度場(chǎng)云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 直圓管式熱交換管換熱器對(duì)稱面溫度場(chǎng)云圖

圖8 網(wǎng)格狀熱交換管換熱器對(duì)稱面溫度場(chǎng)云圖

利用SolidWorks 軟件中的Flow Simulation 模塊迭代計(jì)算后，繪制換熱器對(duì)稱面的速度場(chǎng)云圖，如圖9、圖10所示。

圖9 直圓管式熱交換管換熱器對(duì)稱面速度場(chǎng)云圖

在換熱器殼程容積相等、進(jìn)氣/出氣口面積、邊界條件相同的條件下，得到仿真結(jié)果。

圖10 網(wǎng)格狀熱交換管換熱器對(duì)稱面速度場(chǎng)云圖

(1)溫度方面：直圓管式熱交換管換熱器出氣口的平均溫度249.75℃，網(wǎng)格狀熱交換管換熱器出氣口的平均溫度為147.83℃；直圓管式熱交換管換熱器熱流體進(jìn)/出氣口溫差為378.25℃，溫降率為60.23%；網(wǎng)格狀熱交換管換熱器進(jìn)/出氣口溫差為480.17℃，溫降率為76.46%。

(2)流速方面：網(wǎng)格狀熱交換管換熱器管程內(nèi)熱流體流速為28m/s，管外(殼程內(nèi))冷流體流速為16m/s；直圓管式熱交換管換熱器管程內(nèi)熱流體流速為27m/s，管外(殼程內(nèi))冷流體流速為10m/s；可以明顯看出網(wǎng)格狀熱交換管換熱器比直圓管式熱交換管換熱器管內(nèi)外流體流速要快且流動(dòng)均勻性更好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文使用流固耦合的方法對(duì)廢氣循環(huán)再利用換熱器(EGR)進(jìn)行了換熱性能流體仿真分析。結(jié)果表明直圓管式熱交換管換熱器(EGR)的流體仿真分析值相比試驗(yàn)值的誤差在允許范圍內(nèi)，證明該仿真方法準(zhǔn)確，可用于網(wǎng)格狀熱交換管換熱器的仿真分析。

網(wǎng)格狀熱交換管換熱器與直圓管式換熱器仿真計(jì)算結(jié)果表明，在相同的殼程容積內(nèi)，網(wǎng)格狀熱交換管換熱器的熱流體溫降率更高，管內(nèi)外流體的流速更快，流體流動(dòng)均勻性更好，換熱性能明顯提升。

[1] 余建祖.換熱器原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2] 朱躍釗，廖傳華，史勇春.傳熱過(guò)程與設(shè)備[M].北京：中國(guó)石化出版社，2008:49-52.

[3] 羅再祥.管殼式換熱器傳熱對(duì)比研究與數(shù)值模擬[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[4] 林雄.管殼式換熱器的流路性能數(shù)值模擬研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2008.

[5] 周士強(qiáng).強(qiáng)化傳熱在換熱器中的應(yīng)用[J].黑龍江石油化工，1998(2):31-33.

[6] 戴傳山，王秋香，李彪.管殼式換熱器傳熱性能分析[J].傳熱科學(xué)與技術(shù)，2011，10(4):283-286.

[7] 胡巖.管殼式換熱器數(shù)值模擬研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[8] 崔海亭，姚仲鵬，王瑞君.強(qiáng)化型管殼式熱交換器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].化工機(jī)械，1999，26(3)：35-38.

[9] 王運(yùn)贛，王宣. 3D打印技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2014.

[10] 孔祥謙.熱應(yīng)力有限單元法分析[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999.

[11] 史美中，王中諍. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].南京：東南大學(xué)出版社，1996

[12] 高莉萍，王勵(lì)端. 高效換熱器發(fā)展動(dòng)態(tài)及其應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，1995(3)：115-119.

[13] BROWN FINTUBE CO. Twisted tube does more in same space[J].CEP，1996，92(8)：9-10.

[14] KRAL D，STEHLIK P，VAN DER PLOCE H J，et al. Helical baffles in shell-and-tube heat transfer exchangers，part 1：experimental varification[J].Heat Transfer Engineering，1996，17(1)：93-95.

[15] 曹茹，商躍進(jìn).基于SolidWorks Flow Simulation的管殼式換熱器傳熱性能數(shù)值仿真[J].傳熱科學(xué)與技術(shù)，2015(8)：66-69.

[16] 陸磊，張振東，尹叢勃.廢氣再循環(huán)冷卻器的性能仿真及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2015(3)：99-102.

(責(zé)任編輯：杜能鋼)

Flow Field Analysis and Optimization of Heat Exchanger Based on SolidWorks Flow Simulation

Heat exchangers are widely used in various fields of industry, and it has a very important role in the national production. The heat exchange efficiency of the heat exchanger is related to the overall efficiency of the relevant industries, so how to improve the heat transfer efficiency of the heat exchanger has become the core technology of the design of the heat exchanger. Because of the rapid development of 3D printing technology, heat exchange tube in new grid shape could be processed. Compared with the traditional heat exchange tube, the heat transfer area as well as the heat transfer coefficient of the new type increases significantly, with heat transfer efficiency improved in fold ascension. This paper constructs the model of the new type heat exchanger utilizing SolidWorks software. Furthermore, Fluid simulation and heat transfer optimization are conducted via SolidWorks flow simulation module.

Grid Tube Type Heat Exchanger; Heat Transfer Efficiency; SolidWorks Flow Simulation; Fluid Simulation

陳粵(1992-)，男，湖南祁東人，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；仲梁維(1962-)，男，上海人，碩士，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助智能設(shè)計(jì)制造；曹萌(1991-)，男，山東菏澤人，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。

10.11907/rjdk.162628

TP302

A

1672-7800(2017)003-0011-04