关于换热器交叉管束周期性流动换热模拟研究

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1、关于换热器交叉管束周期性流动换热模拟研究　　摘要：换热器作为热量交换实现加热和冷却的通用设备，在能源的有效利用中起着关键的作用。目前换热器中的圆管是承压能力强而且易于加工的常用种类之一。本文着重研究管道交叉流状况下的换热情况。通过建立二维周期性的热流量模型，并对其进行CFD模拟，说明了如何建立模型，求解管道周期性流动的相关传热问题，得到了管道外侧流体换热时的温度场、流速场以及压力场，清晰的显示出换热时外侧的边界层情况，直观展现其换热过程。关键词：CFD模拟管道周期性流动与换热压力温度流速边界层中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：0引言许多工业应用如在锅

2、炉生产蒸汽或空调盘管中的空气冷却，都可以建二维周期性的热流量模型。建模的系统是一系列的在某一温度流体管子，交叉流于不同温度下的第二种流体中。两种流体都是水，并且流动为稳定层流，雷诺数约100。质量流量的横向流是已知的，该模型是用来预测由于热交换引起的流场和温度场的。6由于系统中管道的几何对称性和管内流体的周期性流动，只对几何的一部分将应用FLUENT做模拟，并具有对称性地应用于外边界。由此可以组成对称的周期网格模块。入口的边界将被重新定义为一个周期性的区域，流出边界定义为它的影子。1问题描述该问题的示意图如下图所示。管束由均匀间隔的直径为1厘米的管组成，这是交错

3、的交叉流动。在x方向管子的中心距是2厘米，在y方向1厘米。管子有1米的深度。图1管道的几何图示由于管束的几何对称性,只需对一部分进行模拟。一个质量流率为0.05kg/s应用于入口边界的周期性模块。管壁的温度(Twall)是400K，管外流动水(T∞)是300K.水的性能如图中标示。2.数学模型针对稳态，不可压缩，常物性条件，直角坐标系下水流经管道外侧的流动与传热问题的控制方程组为：（1）（2）（3）式中：u,v,w分别为x,y,z方向的速度；p为压力；t6为温度；ρ、μ、cp、k分别为空气密度、动力粘度、比热和导热系数。3.求解方法本文采用有限容积法的SIMPL

4、E算法来求解离散方程，分析不同参数对空腔内的温度场和流场的影响。选择非耦合隐式求解器求解，对控制方程的离散均采用二阶差分方法。空腔内部采用三角形结构画网格，管壁周围采用矩形划分网格，并沿着垂直管方向按比例增大，网格数量约15000，计算精度能够满足所需精度要求。模型网格的划分如图2所示。图2模型网格的划分4.计算结果与分析4.1根据已知条件作出Fluent模拟，得出压力边界以及轮廓对称的静压力云图，如图3所示。图3静压力云图从上图我们可以看出在周期性热交换过程中管道外侧各个部位的压力分布情况。在管道的迎流体面压力最大达8.18*10-2Pa，两侧面的压力最小且为

5、负压-4.49*10-2Pa，各个管子之间的压力影响不大，每根水管的压力成几何对称分布。4.2下图为冷流体的静态温度分布图6图4冷流体静态温度分布图从图中可以看出流体流过管道后的温度按层分布，在流体入口侧的温度最低（深蓝色部分），流过后排时温度依次升高（浅蓝色部分），管子后侧的温度变化不大，这是由于涡流的影响所致。从轮廓图可以看出，当狭窄的冷流体流过管束时，管内的热流体通过管壁将热量传递给冷流体，从而使冷流体从管壁得到热量而温度升高。4.3下图是管壁外侧周围流体的速度分布图图5管壁外侧周围流体的速度分布图从图中可以看出当流体流过圆管所在位置时，由于流动截面的缩小

6、，流速增加，贴近壁面处流速最小，向外依次递增，最大流速可达到1.31*10-2m/s。在边界层内流体靠本身的动量克服压力增长向前流动，速度分布趋于平缓。贴近壁面的流体层由于动量不大，克服上升的压力时越来越困难，最终会出现壁面处速度梯度变为0，随后产生与原流动方向相反的回流，即发生绕流脱体现象。4.4下图是位于X=0.01,0.02,0.03m处的静态温度分布情况图6X=0.01,0.02和0.03米位置处的静态温度从图中我们可以观察到在温度稳定后位于区域内部各个位置的温度情况6在X=0.01m的位置处，由层流的分布情况可以看到，开始由于受到下一排管束的影响温度较

7、高，在沿着y轴增大的方向上，流体接近主流区温度先降低，随后接近管壁的时候，温度开始上升，最后紧贴管壁外侧的冷流体温度可达到管内热流体温度。在X=0.02m的位置处，在y轴方向0.005m之前，温度变化趋势基本和X=0.01m处一致，符合层流的规律，但是在0.005m之后，由于绕流的影响，温度有所上升，且趋于稳定，其值约为360K。X=0.03m的位置处，两股冷流体汇合，在远离管壁的方向，温度先降低后升高，其变化曲线与X=0.01m位置处的变化曲线在y轴方向呈对称分布。5.结论在周期性热交换过程中管道外侧迎流体面压力最大，两侧面的压力最小且为负压，各个管子之间的压

8、力影响不大，每根水管的压