顺逆流换热器传热性数值模拟比较

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1、顺逆流换热器传热性数值模拟比较孙灵喜（中国矿业大学电力工程学院）摘要：换热器在石油、化工、动力、食品及其它许多工业领域等领域有着重要且广泛的应用。而换热效率是衡量换热器优劣的主要指标.理论上分析了换热器顺流逆流布置的换热效果的差异，随着CFD（ComputerFluentDynamics）技术发展日趋成熟，使对流体内部温度场、分布研究变得可行，鉴于此，本文应用CFD软件对换热器的顺流逆流布置对换热效果的影响进行数值模拟。关键词：顺流流动，逆流流动，数值模拟，换热效果0.引言实践结果证明：金属换热面导热系数大小对换热器的总传热系数影响不大，而换热器的结构形式、流体的流动状态、是否采取强化措施

2、对总传热系数有明显的影响【1】。其中强化传热是国内外传热学界研究的热门课题.【2】FLUENT软件是美国FLUENT公司推出的大型的计算流体(CFD)商业软件。其功能比较强大,现已广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、石油、建筑、环境保护等各个领域。。FLUENT软件提供了非常灵活的网格特性,它可以采用非常结构网格(三角形,四边形,四面体,六面体网格)和混合型非结构网格【3】。FLUENT软件使用GAMBIT作为前处理软件,可完成多种流动状况的数值模拟。本文通过对换热器顺流和逆流两种流动方式的模拟，得出与实验相同的结论，形象，直观。1理论分析假设：（1）、冷、热流体的质量、流量以及比热

3、容在整个换热面上都是常量；（2）、传热系数在整个换热面上不变；（3）、换热器无散热损失；(4)、散热器沿管子轴向的导热量可以忽略不计。(5)、任一流体不能既有相变又有单向介质换热。【4】基于以上假设，根据传热学和流体力学相关理论，模拟的对流换热的控制方程由连续方程、动量方程、能量方程、方程、方程和传热方程组成：（1）连续性方程：【5】（2）动量方程：式中，——紊流有效粘性系数，；（3）能量方程：（4）稳流动能方程（K方程）（5）紊流能量耗散方程（方程）（6）传热方程：Q=KA△Tm式中Q—传热量；K—总传热系数；A—传热面积；△Tm—热冷流体的对数平均温差。【6】增大传热温差的方法有两种：

4、一是扩大冷热流体进出口温度的差别以增大传热平均温差，此法受生产工艺限制；二是在冷流体和热流体的进口温度一定时，利用不同的换热面积布置来改变平均温差【6】。本文即是让冷热流体相互逆流流动比较换热效果。2.问题的描述及网格划分如下图所示，换热器中冷、热流体按图中方式流动：图一顺流流动图二逆流流动采用Fluent作为数值计算软件,进行三维数值模拟，计算采用标准k–e模型。分别将顺流和逆流在相同条件下进行数值模拟,并将结果进行比较。换热器的几何尺寸如下图所示圆柱底面半径分别为20mm,40mm，高为500mm。网格的划分边界条件：顺流时，左面圆环面和内圆柱面为速度进口，内圆柱参数设置：进口速度8m

5、/s,进口温度360K；外圆环参数设置：进口速度5m/s，进口温度280K。右面为出口。中间壁面传热系数K=300W/m，壁厚2mm。外壁面为绝热壁面。逆流式左侧内圆柱为速度进口，进口速度和温度同上，左侧外圆环为压力出口。右侧外圆环为进口，进口速度5m/s，进口温度280K，中间壁面传热系数K=300W/m，壁厚2mm。外壁面为绝热壁面。3、模拟结果与分析3.1迭代情况比较图三为冷热流体顺流流动时达到热平衡的迭代情况；图四为冷热流体逆流流动时达到热平衡的迭代情况。比较两图，可以看出，在相同条件下，逆流流动时所需的迭代次数为60次左右，顺流流动时单位迭代次数为70次左右，结果说明逆流比顺流达

6、到热平衡所需的迭代次数少，从而间接表明逆流式比顺流式效果好，换热效率高。图三图四3.2TotalHeatTransferRate比较顺流TotalHeatTransferRate(w)----------------------------------------------------iinletbig-417.71698outletbig411.44308------------------------------------Net-6.2738953TotalHeatTransferRate(w)--------------------------------------------

7、--------inletsmall759.138outletsmall-765.35059------------------------------------Net-6.2125854TotalHeatTransferRate(w)----------------------------------------------------outletbig411.44308outletsmall-765.35059--