流体横掠叉排平行板束对流换热的数值研究

来源:用户上传      作者: 张艳强　　程明新　银新亮　陈永东

　　摘要：本文采用商用软件Fluent6.2.16模拟在不同的Re下，流体横掠不同的结构参数叉排平行板束的流场、温度场，并使用Tecplot软件对其结果进行后处理，将流场和温度场其用相关流线图和温度云图进行显示，使实验难以测量的微小结构的叉排板束的流场和温度场用形象化图形进行展示。在流场云图中可以直观展示研究单元内流体流线的变化、漩涡产生等情况；温度云图展示流体与叉排板束的换热的定性关系，并将温度变化梯度形象化的展示。同时本文分析了影响叉排板束换热的无量纲数，无量纲数的变化规律可以推广到其它结构参数的换热器上。本文模拟中只选取一个代表性的单元区域，用该区域代表当流动与换热达到充分发展阶段时整体的流场和温度场的分布情况，同时分析了在不同的Re下Nu和f的变化情况。
　　关键词：动力机械工程；叉排板束；数值模拟；对流换热；性能
　　中图分类号：TL942+.1 文献标识码：A
　　目前各种各样的换热器在生产和生活中得到应用，在不同的换热器内，换热的主要部件却不尽相同，但强化换热的机理却都是通过加强换热器内流体的扰动[和加大换热面积实现的。在众多的换热器中，板式换热器以其换热效果好，清洗方便等众多优点在换热中得到了广泛的应用。如现阶段主要采用的加大扰动和换热面积的方法主要包括：三角形穿孔翅片、菱形翅片管、细板翅和微小型多槽道平板等。
　　但是对于这些结果复杂的换热设备仅依靠实验研究不够的，对于这些有加强换热效果的换热设备的微小结构，不足以将测量仪器放入，这样就不能正确、可靠反映流场的分布，这样就为换热设备的进一步优化造成一定的难度，所以本文引入Fluent模拟叉排平行板束换热的流场等，避免直接应用现有研究手段所达不到的目的。
　　1数值计算方法
　　在二维Eular坐标下采用laminar模型求解连续、动量和能量方程，采用SIMPLEC算法。本文的模拟是基于换热流动以处于充分发展阶段，同时考虑不同Re下的换热情况。
　　1.1 质量守恒方程
　　上式中的2、3项式质量流密度（单位时间内通过单位面积的流体质量）的散度，可用矢量符号写出为：
　　对于不可压缩流体，气流体密度为常数，连续性方程简化为：
　　1.2 动量守恒方程
　　微元体分别在三个坐标方向上引用牛顿第二定律（ ）在流体流动中的表现形式：
　　[微元体中流体动量的增加率]=[作用在微元体上各种力之和]
　　并引入牛顿切应力公式及Stokes的表达式，可得到2个速度分量的动量表达式如下：
　　其中 为流体的动力粘度， 称为流体的第2分子黏度，对气体可取为-2/3。
　　在数值计算传热学中常常将上述3式等号后的分子粘性作用项作如下变化，以 -动量方程为例：
　　1.3 能量控制方程
　　微元体应用能量守恒定律：
　　[微元体内热力学能的增加率]=[进入微元体的净热流量]+[体积力与表面力对微元体作的功]
　　再引入导热Fourier定律，可得出流体比焓h及温度T表示的能量方程：
　　其中 是流体的导热系数， 为流体的内热源， 为由于粘性作用机械能转化为热能的部分，称为耗散函数，其中计算公式如下：
　　式中pdivU系表面力对流体微元体所做的功，一般可以忽略；同时对理想气体，液体和固体可以取h=cpT，进一步取cp为常数，并把耗散函数 纳入到源项ST中（ST=Sh+ ），于是可得：
　　对于可压缩流体有：
　　对理想气体可有：
　　其中 为摩尔气体常数。
　　2模拟结果及分析
　　本文是模拟了三种不同结构10 ×2 、10 ×3 和10 ×4 在不同Re下的流场、温度场和其它参数的规律。
　　2.1流场分布及分析
　　分析：①当入口流体的雷诺数增大，此时由上图的对比可知，流体在不同结构参数下的通道的主流区的流线几乎为平行的直线，但在板的末端，板的厚度越大则流体的回流越明显。这是由于随着板的厚度增加，同时流体又是在大的流速下流动换热，所以流体的绕流作用在此时变的相当小，所以处于板的末端的流体几乎处于回流的流动情况下；②在相同结构参数下，入口流体随着流体流入的雷诺数的增大，流体的绕流作用减小。在板的后端面随着雷诺数的加大，流体的回流作用加强，即冷热流体的混合作用加强，所以平行板束的随着通道入口的雷诺数的加大，流体的换热作用加强。
　　2.2温度场分布及分析
　　分析：①在不同结构参数下，流体在主流区域的温度分布相似，但在叉排板束板的末端面，板的厚度大的，流体的高温区域多。这是因为厚度大的板束的通道在流过相同的流体时，流速大于板的厚度小的，所以流体的绕流作用减小，冷的流体不能在高的流速下绕过板束和热流体进行混合，所以流体在板的末端面处的温度高；②因采用层流加热模型，且壁面的温度高于流体的温度，所以靠近壁面的温度较高，而主流区域的温度偏低，但在板的后端因由流体发生绕流，在效雷诺数下，流体的扰流作用大于雷诺数大的情况，所以在效雷诺数下板的末端冷热流体的混合强，所以低雷诺数下板后端面的高温区域小。在随 的增加，壁面的温度梯度减小。
　　2.3 Nu-Re的变化曲线
　　分析：在层流模型中，Nu随Re的变化在一定的范围内成指数变化，这一变化趋势符合理论结果[ ]，在层流范围内，流体与壁面的换热强度随换热器入口的雷诺数的加大而增强。这是因为流体与壁面的换热主要途径是增大换热面积和加强流体的扰动，本模拟中，换热器采用叉排平行板束， 这样的板不仅起到了加大换热面积，同时也起到了强化流体绕到的作用，因此，在流体横掠叉排板束时，随着雷诺数的增加，流体的换热增强。
　　2.4 f-Re的变化曲线（局部放大图）
　　分析：流体的摩擦系数与所选区域的入口雷诺数成指数变化，这一结论是符合理论解，即f是Re单值函数，f随Re的变化是递减的，且成衰减指数，这就是流体横掠叉排平行板数的流阻特性；当在同一个雷诺数下比较时，通道的阻力随着流体通道的水力直径的增加，通道的阻力系数是增加的。
　　2.5 J/f-Re的变化曲线
　　分析：随着雷诺数的增加J/f的值呈线性变化，且为递增。在以上的分析中已得出，流体通道的摩擦因子f的变化随雷诺数的变化是成衰减指数变化的，但在J/f-Re的变化确实成线性变化的，这就说明，传热因子 的变化小于f的变化；取同一雷诺数时，可明显的看出，随着叉排平行板束的通道的水力直径的减小，流体质点在通达内的换热加强，这是由于当相同质量的流体流过不同的水力直径的方形通道时，水力直径小的流体的流速就相对大，在流道内对板的扰流作用就强，流体的混合效果就明显优于流速小的通道，所以在本文的模拟结果中可得，在适当的范围内，选取厚的板束优于薄的板束的换热效果。
　　结语
　　（1）在本文值模拟本实验进行了叉排布置的板束流场和温度场的对比；
　　（2）在不同结构参数的流场随着板的厚度的增加流体在板束的末端发生回流的可能性加大；
　　（3）在不同结构参数的流场随着板的厚度的增加流体的换热得到强化，这是因为板的厚度越大，流体流过时的扰动越强，所以换热越强；
　　（4）叉排布置中壁面上的努塞尔数随雷诺数的增加而增加，这是因为雷诺数的增加流体的边界层厚度减小；
　　（5）叉排布置中壁面上的摩擦因子随着雷诺数的加大而减小，这是因为通道的阻力随着雷诺数的增加单位长度上的压降增加的幅度减小；
　　（6）叉排布置的板束，流体的J因子和摩擦因子的比值与通道入口雷诺数呈线性变化；
　　（7）叉排布置的板束，随着流体的雷诺数的增，壁面上的换热强度与摩擦力之呈逐渐趋于平缓。
　　参考文献
　　[8]盖轲，董彦杰.对流传热过程影响因素分析.运城高等专科学校学报.2000，18（6）：33-34.
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