基于熱流固耦合的板殼式換熱器板片力學(xué)特性分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

羅小平 李東航 王兆濤 袁 伍

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

換熱器作為一種重要的傳熱設(shè)備， 在石油、化工、電力、航空航天及加工業(yè)等生產(chǎn)生活領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［1］，板殼式換熱器作為一種新型的換熱設(shè)備，因具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊、傳熱效率高及占地面積較小等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的換熱設(shè)備相比有著更加優(yōu)越的性能［2］。 板芯作為板殼式換熱器的重要組成部件， 承擔(dān)著傳熱承壓的重要功能，板芯中板片的承壓能力大小、傳熱系數(shù)及流體與板片間的流阻大小等參數(shù)是衡量一個(gè)換熱器性能的重要指標(biāo)。 作為與流體直接接觸的板片，承受板片兩側(cè)不同流體帶來(lái)的壓差、溫差和液體的腐蝕，使得它成為整個(gè)板殼式換熱器中最容易發(fā)生失效的部位，也是影響換熱器穩(wěn)定運(yùn)行的不安全因素，板片承壓能力不足容易引起液體泄漏，進(jìn)而引起一系列連鎖反應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。

影響換熱器性能的因素很多，板片的波紋形狀和幾何尺寸對(duì)換熱器的性能有很大的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)、有限元分析等手段對(duì)這些因素進(jìn)行了大量研究。 Kumar B 等研究了矩形波紋板片幾何參數(shù)對(duì)板式換熱器水力和熱工性能的影響，結(jié)果表明板片的人字形角度對(duì)板式換熱器的水力性能有惡化的影響，人字形角越大，壓降越大［3］。 羅志寧等建立了一種矩形凹凸鼓泡式波紋板換熱器模型，通過(guò)設(shè)置4 種不同的板束放置方式和折流板切口方向?qū)Q熱器殼程的傳熱性能進(jìn)行研究，利用Fluent 軟件得出了壓降最小和傳熱性能最好的模型參數(shù)［4］。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于換熱器波紋板片的研究主要集中在板片幾何尺寸對(duì)傳熱和壓降特性的影響［5～7］，而對(duì)換熱器強(qiáng)度的研究較少。 王戰(zhàn)輝等利用ANSYS 軟件研究了換熱管板管程和殼程在打開的瞬時(shí)工況、正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)工況下等效應(yīng)力分布，結(jié)果表明溫差應(yīng)力對(duì)整體應(yīng)力分布規(guī)律影響較大［8］。 陳一鳴等利用ANSYS 軟件對(duì)固定管板式換熱器的管板在不同工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，找出了管板等效應(yīng)力和最大變形量出現(xiàn)的部位［9］。 陳盛秒和宋凱對(duì)換熱器管板進(jìn)行了壓力試驗(yàn)，并提出應(yīng)對(duì)換熱器強(qiáng)度進(jìn)行校核［10，11］。目前，對(duì)于換熱器的研究多集中在傳熱和壓降方面，對(duì)于強(qiáng)度的研究一般采用單一的模擬分析或進(jìn)行壓力試驗(yàn)，缺少相互驗(yàn)證， 并且研究多針對(duì)板式換熱器和管殼式換熱器，對(duì)板殼式換熱器的相關(guān)研究更少，因此筆者應(yīng)用熱流固耦合的方法對(duì)板殼式熱器進(jìn)行力學(xué)特性分析， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為板殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 基于熱流固耦合的換熱器板片力學(xué)分析

耦合場(chǎng)分析通常是對(duì)兩個(gè)或更多物理場(chǎng)間相互作用的分析［12］，熱流固耦合是流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和固體變形場(chǎng)之間的相互作用，場(chǎng)與場(chǎng)之間不重疊，通過(guò)耦合面進(jìn)行信息傳遞，本次模擬分析中，波紋板片受到兩側(cè)壓差作用，同時(shí)冷熱流體在板片兩側(cè)反向流動(dòng)，換熱器波紋板片的熱流固耦合分析就是研究板片在流體作用下產(chǎn)生變形，但是由于流體對(duì)板片作用影響較小， 產(chǎn)生的變形很小， 忽略變形對(duì)流體的作用也能滿足工程需要，因此本次模擬采用單向流固耦合分析。

1.1 波紋板片模型建立與邊界條件設(shè)定

此次仿真模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10，假定材料具有的性質(zhì)為連續(xù)性、均勻性和各向異性。 人字形波紋板片（圓形波紋板）相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

外圓直徑D0242mm

內(nèi)圓直徑d 40mm

厚度t 0.7mm

波紋高h(yuǎn) 3mm

波角θ 120°

波距l(xiāng) 10mm

材料00Cr19Ni10 力學(xué)性能參數(shù)如下：

拉伸強(qiáng)度 760MPa

屈服強(qiáng)度 340MPa

硬度 187HB

彈性模量 194GPa

泊松比 0.3

密度 7 930kg/m3

板殼式換熱器的換熱板芯由多個(gè)形狀、 尺寸均相同的換熱板片焊接而成，由于波紋板片完全相同，不同的換熱板片所受作用過(guò)程也完全相同，因此筆者選取其中一組換熱板片作為分析對(duì)象并進(jìn)行熱流固耦合分析，其三維模型如圖1 所示。

有限元計(jì)算中，只有網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算， 不同的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很大［13］，因此網(wǎng)格劃分至關(guān)重要。 ANSYS 中Meshing 網(wǎng)格劃分集成了ICEM 和gambit 的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)不同的物理場(chǎng)要求提供相應(yīng)的劃分方案。 本次模擬Mesh 平臺(tái)的物理場(chǎng)參照類型為Mechanical，網(wǎng)格大小設(shè)定為1.0mm，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 板殼式換熱器換熱板片三維模型

由于板殼式換熱器波紋板片邊緣是通過(guò)焊接固定的，因此對(duì)板片有限元模型邊緣施加固定約束。 冷熱流體在板片兩側(cè)各自流道內(nèi)逆向流動(dòng)，流體與板片之間為熱流固耦合面，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置如下模擬條件：模擬工質(zhì)為水，入口為速度入口，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，冷流體入口溫度300K， 熱流體入口溫度360K， 流體入口速度為0.4m/s。 流體沿通道流動(dòng)產(chǎn)生的壓力和波動(dòng)會(huì)作用于板片，需要運(yùn)用Fluent 軟件對(duì)流體壓力和波動(dòng)進(jìn)行模擬計(jì)算， 并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Static Structural 模塊，同時(shí)指定熱流固耦合面，待全部設(shè)置完成方能進(jìn)行熱流固耦合計(jì)算。

1.2 波紋板片力學(xué)特性分析

1.2.1 溫度載荷與壓力載荷求解

對(duì)換熱板片模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 軟件， 通過(guò)數(shù)值計(jì)算處理，得到溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的結(jié)果文件，分布云圖如圖2 所示。

把求得的溫度、 壓力載荷施加到波紋板片上，對(duì)板片進(jìn)行熱流固耦合運(yùn)算，得到波紋板片在該條件下的等效應(yīng)力分布圖和板片總變形云圖，并進(jìn)行分析。

1.2.2 波紋板片應(yīng)力

為研究波紋板片在殼程和板程壓差作用下板片應(yīng)力分布特點(diǎn)，選取4 種受到不同壓差工況作用的波紋板片進(jìn)行分析，其等效應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。

圖2 溫度和壓力分布云圖

圖3 板片厚度為0.7mm 時(shí)不同壓差作用下等效應(yīng)力分布云圖

由圖3 可知，波紋板片所受等效應(yīng)力沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱，最大等效應(yīng)力均位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近，這是由于此處流體的流速比其他地方的大，流體沿著流道分散開來(lái)，流速減小，對(duì)板片的作用也減弱。 沿同一條波紋流道，波峰或波谷應(yīng)力變化較大，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應(yīng)力分布均勻，這是因?yàn)樵诓ǚ寤虿ü雀浇黧w流向改變導(dǎo)致流速突然增大，對(duì)板片的作用增強(qiáng)。 在最大等效應(yīng)力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應(yīng)力較大，此處最易變薄失效。 根據(jù)強(qiáng)度理論［14］，換熱器板片在兩側(cè)壓差作用下，當(dāng)最大等效應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，板片就會(huì)失效。 此次模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10， 其屈服強(qiáng)度為340MPa，由等效應(yīng)力分布圖可知，壓差為10MPa時(shí)， 板片入口第2 條波紋附近出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，為354.22MPa，已超過(guò)板片材料的屈服強(qiáng)度，此時(shí)板片發(fā)生失效。

1.2.3 波紋板片總變形

當(dāng)不同的壓差作用在波紋板片上時(shí)，會(huì)使板片產(chǎn)生變形，通過(guò)運(yùn)用ANSYS Workbench 熱流固耦合能夠計(jì)算出該條件下的總變形云圖，如圖4 所示。

圖4 板片厚度為0.7mm 時(shí)不同壓差作用下總變形云圖

由圖4 可知，波紋板片總變形分布規(guī)律與板片等效應(yīng)力分布規(guī)律類似，均沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱，板片中心區(qū)域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 變形較大區(qū)域位于板片中心附近，主要是因?yàn)樵搮^(qū)域內(nèi)相鄰板片接觸點(diǎn)較少，焊接支撐部位位于板片邊緣，并且流體在這個(gè)區(qū)域流動(dòng)是復(fù)雜的曲折流和渦流造成的［15］。 對(duì)比4 張變形圖發(fā)現(xiàn)，隨著板片兩側(cè)壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加，最大變形尺寸在壓差10MPa 時(shí)達(dá)到最大，為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.4 波紋板片厚度對(duì)板片力學(xué)性能的影響

本次模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所用波紋板片厚度為0.7mm，為增加波紋板片強(qiáng)度，運(yùn)用模擬軟件分析計(jì)算板片厚度由0.7mm 增加到1.0mm 后板片的力學(xué)性能變化，這對(duì)于波紋板片的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有重要的參考價(jià)值，現(xiàn)對(duì)壓差10MPa 作用下的波紋板片在厚度變?yōu)?.0mm 時(shí)進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 壓差10MPa、板片厚度1.0mm 時(shí)等效應(yīng)力分布和總變形云圖

由圖5 可知，波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時(shí)，等效應(yīng)力分布規(guī)律和總變形分布規(guī)律仍沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱。 對(duì)比板片厚度變化前后的等效應(yīng)力分布和總變形云圖可知，最大等效應(yīng)力由354.22MPa 減小至322.78MPa， 最大變形量由3.71mm 減小至2.21mm。厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時(shí)，最大等效應(yīng)力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%。 因此，從安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，將波紋板片厚度增加至1.0mm 能夠有效提高換熱器板片的強(qiáng)度，降低損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2 板殼式換熱器板片力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

2.1 板殼式換熱器板芯組件結(jié)構(gòu)參數(shù)

板殼式換熱器波紋板片是組成換熱器板芯的基本單元，實(shí)驗(yàn)用板芯由25 對(duì)板組構(gòu)成，在板芯上下表面加蓋5mm 厚板以保障實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全，通過(guò)4 根實(shí)心圓柱將兩端厚板面焊接以固定板芯，對(duì)換熱器板片應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。 板殼式換熱器波紋板片所用材料為00Cr19Ni10。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及步驟

如圖6 所示， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由應(yīng)變測(cè)試模塊、加壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和監(jiān)控模塊構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)前檢查各處應(yīng)變片粘貼情況以及其他儀器是否處于正常狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)給板芯緩慢加壓以達(dá)到測(cè)試板芯承壓能力的目的，調(diào)節(jié)變頻器緩慢加壓至所需壓力， 關(guān)閉電磁閥保壓2min，然后進(jìn)行加壓、保壓，直至壓力驟然下降，此時(shí)卸載整個(gè)系統(tǒng)的壓力，關(guān)閉高壓泵，關(guān)閉變頻器，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 選擇合理位置布片并選取6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，粘貼電阻應(yīng)變片。 實(shí)驗(yàn)由25 對(duì)板組構(gòu)成，選取其中的第25、26 塊波紋板片測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置選擇在圓板外邊緣焊縫處，如圖7 所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖7 板片測(cè)點(diǎn)位置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

對(duì)所選取的6 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選分析，為直觀說(shuō)明各點(diǎn)應(yīng)力變化情況， 整理實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，繪制測(cè)點(diǎn)圖（圖8）。 從圖8 可以看出實(shí)驗(yàn)所得測(cè)點(diǎn)位置處的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，產(chǎn)生波動(dòng)的原因主要與實(shí)驗(yàn)所處條件、儀器和實(shí)驗(yàn)材料有關(guān)。 對(duì)于該換熱器板片，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只能測(cè)量邊緣部位的應(yīng)力值，無(wú)法對(duì)板片中間位置進(jìn)行測(cè)量，因此必須對(duì)中間區(qū)域采用熱流固耦合模擬計(jì)算。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)板芯所受壓力較大時(shí)，板片迅速破裂并迸射出水花，這與模擬計(jì)算結(jié)果一致，同時(shí)通過(guò)該實(shí)驗(yàn)測(cè)得板芯所能承受的最大壓力為9.3MPa，板片設(shè)計(jì)壓力為10MPa，因此需要對(duì)板片進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)圖

3 有限元模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

針對(duì)板殼式換熱器波紋板片力學(xué)特性研究，先運(yùn)用熱流固耦合的方法計(jì)算了板片應(yīng)力分布，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了波紋板片6 個(gè)位置處的應(yīng)力大小以驗(yàn)證熱流固耦合計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較（圖9～11）。

圖9 測(cè)點(diǎn)1、2 處應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與模擬值

圖10 測(cè)點(diǎn)3、4 處應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與模擬值

圖11 測(cè)點(diǎn)5、6 處應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與模擬值

由圖9～11 可知， 所選波紋板片6 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處應(yīng)力模擬值與實(shí)驗(yàn)值均具有良好的吻合性，雖然實(shí)驗(yàn)值與模擬值存在一定的誤差，但是變化趨勢(shì)一致， 說(shuō)明模擬計(jì)算設(shè)置的條件較合理，模擬結(jié)果可靠。

對(duì)于測(cè)點(diǎn)1、2 位置，由模擬值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可知，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值均大于實(shí)驗(yàn)值，當(dāng)所加載荷在8～9MPa 時(shí)，實(shí)驗(yàn)值有較大的應(yīng)力變化， 說(shuō)明該位置處板片焊縫應(yīng)力變化劇烈，從實(shí)驗(yàn)過(guò)程可知，此時(shí)板片發(fā)生變形，失效破裂。對(duì)于測(cè)點(diǎn)3、4 位置， 由模擬值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可知， 環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值均小于實(shí)驗(yàn)值，當(dāng)壓力為9MPa 時(shí)，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值與實(shí)驗(yàn)值出現(xiàn)了較大偏差，這是因?yàn)榇藭r(shí)所施加載荷接近板片失效的應(yīng)力值， 在該情況下，應(yīng)力變化劇烈。對(duì)于測(cè)點(diǎn)5、6，由模擬值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比可知，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值和實(shí)驗(yàn)值吻合較好，這是由于這兩測(cè)點(diǎn)距離板片流體進(jìn)出口位置較遠(yuǎn)，流體對(duì)該測(cè)點(diǎn)影響較小。 在實(shí)驗(yàn)操作中，通過(guò)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓過(guò)程，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)加壓過(guò)程產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定能夠引起流體進(jìn)出口出現(xiàn)壓力波動(dòng)，影響應(yīng)力值的測(cè)量。

4 結(jié)論

4.1 波紋板片所受等效應(yīng)力沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱，最大等效應(yīng)力位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近；沿同一條波紋流道，應(yīng)力變化較大處位于波峰或波谷的位置，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應(yīng)力分布均勻，在最大等效應(yīng)力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應(yīng)力較大，此處最易變薄失效。

4.2 波紋板片總變形沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱，板片中心區(qū)域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 隨著板片兩側(cè)壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加， 最大變形尺寸在壓差10MPa 時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)變形量為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時(shí)，等效應(yīng)力分布規(guī)律和總變形分布規(guī)律均沿水平中心軸兩側(cè)對(duì)稱。 對(duì)比板片厚度變化前后的等效應(yīng)力分布和總變形云圖可知，厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時(shí)，最大等效應(yīng)力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%，厚度的增加能夠提高板片強(qiáng)度。

4.4 所選波紋板片測(cè)點(diǎn)位置處應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與模擬值雖然存在一定的誤差，但是實(shí)驗(yàn)值與模擬值變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明模擬計(jì)算設(shè)置的條件較為合理，模擬結(jié)果可靠。