1、順逆流換熱器傳熱性數(shù)值模擬比較孫靈喜（中國礦業(yè)大學 電力工程學院）摘要：換熱器在石油、化工、動力、食品及其它許多工業(yè)領(lǐng)域等領(lǐng)域有著重要且廣泛的應(yīng)用。而換熱效率是衡量換熱器優(yōu)劣的主要指標.理論上分析了換熱器順流逆流布置的換熱效果的差異，隨著CFD（Computer Fluent Dynamics）技術(shù)發(fā)展日趨成熟，使對流體內(nèi)部溫度場、分布研究變得可行，鑒于此，本文應(yīng)用CFD軟件對換熱器的順流逆流布置對換熱效果的影響進行數(shù)值模擬。關(guān)鍵詞：順流流動，逆流流動，數(shù)值模擬，換熱效果1. 引言實踐結(jié)果證明：金屬換熱面導(dǎo)熱系數(shù)大小對換熱器的總傳熱系數(shù)影響不大，而換熱器的結(jié)構(gòu)形式、流體的流動狀態(tài)、是否采取強化

2、措施對總傳熱系數(shù)有明顯的影響【1】。其中強化傳熱是國內(nèi)外傳熱學界研究的熱門課題.【2】FLUENT 軟件是美國FLUENT 公司推出的大型的計算流體( CFD 商業(yè)軟件。其功能比較強大, 現(xiàn)已廣泛用于航空、汽車、透平機械、水利、電子、石油、建筑、環(huán)境保護等各個領(lǐng)域。FLUENT 軟件提供了非常靈活的網(wǎng)格特性, 它可以采用非常結(jié)構(gòu)網(wǎng)格( 三角形, 四邊形, 四面體, 六面體網(wǎng)格 和混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格【3】。FLUENT 軟件使用GAMBIT 作為前處理軟件, 可完成多種流動狀況的數(shù)值模擬。本文通過對換熱器順流和逆流兩種流動方式的模擬，得出與實驗相同的結(jié)論，形象，直觀。1 理論分析假設(shè)：（1）、冷、

3、熱流體的質(zhì)量、流量以及比熱容在整個換熱面上都是常量；（2）、傳熱系數(shù)在整個換熱面上不變；（3）、換熱器無散熱損失；(4、散熱器沿管子軸向的導(dǎo)熱量可以忽略不計。(5、任一流體不能既有相變又有單向介質(zhì)換熱。【4】基于以上假設(shè)，根據(jù)傳熱學和流體力學相關(guān)理論，模擬的對流換熱的控制方程由連續(xù)方程、動量方程、能量方程、方程、方程和傳熱方程組成： （1）連續(xù)性方程： 【5】（2）動量方程： 式中，紊流有效粘性系數(shù)，；（3）能量方程：（4）穩(wěn)流動能方程（K方程）（5）紊流能量耗散方程（方程）（6）傳熱方程： Q=KATm 式中 Q傳熱量； K總傳熱系數(shù)；A傳熱面積； Tm熱冷流體的對數(shù)平均溫差。【6】增大傳熱

4、溫差的方法有兩種：一是擴大冷熱流體進出口溫度的差別以增大傳熱平均溫差，此法受生產(chǎn)工藝限制；二是在冷流體和熱流體的進口溫度一定時，利用不同的換熱面積布置來改變平均溫差【6】。本文即是讓冷熱流體相互逆流流動比較換熱效果。2.問題的描述及網(wǎng)格劃分如下圖所示，換熱器中冷、熱流體按圖中方式流動：圖一 順流流動 圖二 逆流流動采用Fluent作為數(shù)值計算軟件, 進行三維數(shù)值模擬，計算采用標準k e 模型。分別將順流和逆流在相同條件下進行數(shù)值模擬, 并將結(jié)果進行比較。換熱器的幾何尺寸如下圖所示 圓柱底面半徑分別為20mm,40mm，高為500mm。網(wǎng)格的劃分邊界條件：順流時，左面圓環(huán)面和內(nèi)圓柱面為速度進口，

5、內(nèi)圓柱參數(shù)設(shè)置：進口速度8m/s,進口溫度360K；外圓環(huán)參數(shù)設(shè)置：進口速度5m/s，進口溫度280K。右面為出口。中間壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K=300 W/m，壁厚2mm。外壁面為絕熱壁面。逆流式左側(cè)內(nèi)圓柱為速度進口，進口速度和溫度同上，左側(cè)外圓環(huán)為壓力出口。右側(cè)外圓環(huán)為進口，進口速度5m/s，進口溫度280K，中間壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K=300 W/m，壁厚2mm。外壁面為絕熱壁面。3、模擬結(jié)果與分析3.1迭代情況比較圖三為冷熱流體順流流動時達到熱平衡的迭代情況；圖四為冷熱流體逆流流動時達到熱平衡的迭代情況。比較兩圖，可以看出，在相同條件下，逆流流動時所需的迭代次數(shù)為60次左右，順流流動時單位迭代次數(shù)為70

6、次左右，結(jié)果說明逆流比順流達到熱平衡所需的迭代次數(shù)少，從而間接表明逆流式比順流式效果好，換熱效率高。圖三圖四3.2Total Heat Transfer Rate 比較順流Total Heat Transfer Rate (w- -iinletbig -417.71698outletbig 411.44308- -Net -6.2738953Total Heat Transfer Rate (w- -inletsmall 759.138outletsmall -765.35059- -Net -6.2125854Total Heat Transfer Rate (w- -outletbig 4

7、11.44308outletsmall -765.35059- -Net -353.9075Total Heat Transfer Rate (w- -iinletbig -417.71698inletsmall 759.138- -Net 341.42102逆流Total Heat Transfer Rate (w- -inletbigniliu 42.517361outletbigniliu -61.332737- -Net -18.815376Total Heat Transfer Rate (w- -inletsmall 759.14355outletbigniliu -61.3327

8、37- -Net 697.81082Total Heat Transfer Rate (w- -inletbigniliu 42.517361inletsmall 759.14355- -Net 801.66092Total Heat Transfer Rate (w- -outletbigniliu -61.332737outletsmall -759.12579- -Net -820.45853從fluent模擬出的Total Heat Transfer Rate的比較，可以看出傳熱量逆流式比順流式多，表現(xiàn)在（1）對同一圓柱或圓環(huán)的進出口，傳熱量（inletbigniliu = 42.51

9、7361，outletbigniliu= -61.332737 Net =18.815376）>（ iinletbig = -417.71698 Outletbig= 411.44308 Net = 6.2738953）；（2）對同一個截面上的傳熱量(inletbigniliu=42.517361 inletsmall =759.14355 Net= 801.66092>（iinletbig= -417.71698 inletsmall =759.138 Net= 341.42102）5結(jié)論（1） 實驗結(jié)論（如下圖）數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗結(jié)果分析結(jié)果一致說明fluent是可以用于換熱器布置方式的研究的。（2）換熱器逆流布置比順流布置換熱量多，換熱效果增強，換熱效率高。（3）數(shù)值模擬較實驗直觀，清晰，但是和實驗有時會有一些偏差。參考文獻：【1】吳值仁，毛四成不同金屬換熱面對總傳熱系數(shù)的影響制冷與空調(diào)，2010；10(2：23-25.【2】 周士強強化傳熱仔換