第３７卷 第４期 化 工 机 械 ４６５ 人字形板式换热器双流道模型的 温度场数值模拟 陈文超 张锁龙 梁 欣 （江苏工业学院） 摘要应用数值计算软件ｆｌｕｅｎｔ对人字形板式换热器进行温度场的数值模拟，模拟采用双流道形式， 冷、热流体分别从上、下两个流道进入换热器进行热量交换，分别得出了冷、热流体的各自通道的温度分 布，结合前人的研究结果，给出了人字形板式换热器的传热数据，从而使人字形板式换热器在传热参数 上得到优化。研究表明，温度场在平行于进口速度方向上，温度梯度变化明显，层次较为清楚；在垂直进 口速度方向上。温度梯度变化较平行时要低，层次不明显。 关键词板式换热器 波纹板温度场 温度梯度 中图分类号ＴＱ０５１．５ 文献标识码 Ａ 文章编号０２５４－６０９４（２０１０）０４－０４６５—０４ 人字形板式换热器是具有人字形波纹的一种 片通过对流及热传导等形式进行换热，从而得出 换热器，板片错落摆放形成人字形，流体通过流道 此换热器的温度场。 时，由原来的规则流变成交叉流再变成曲折流，能 １ 结构模型 使流体在较低雷诺数下形成湍流 ’ ，从而提高 实验采用人字形板片，其结构如图１所示，波 换热器的换热效率。另外，板片的凹凸增加了其 纹板片相互倒置后叠放在一起，上下成人字形的 刚性，而且板片上、下波纹相叠加，使该板式换热 波纹，从而形成周期性变化的通道，流体流过此通 器具有较高的承压能力。 道时呈不规则的流动形态，即形成交叉流及曲折 有关板式换热器温度场的数值模拟研究，众 流等湍流强度较高的流体形态。 多文献广泛采用的是单通道和模型简化的形式， 板片ｌ 然后通过相关化工手册中的已知条件对模型边界 条件进行加载，只能得到流体单流场的温度场以 及此流体所在流道的温度分布，并不能研究冷、热 流体的相互影响，从而得不到冷、热流体的温度 板片２ 场，使模拟的形态与事实相差较大，数值模拟的结 果与实验的结果发生偏差。就目前而言，研究板 板片３ 式换热器温度场模拟，完整模型的建立是对复杂 问题全面模拟的一个必要前提，也是为以后处理 温差应力因温度变化而产生破坏的必要条件。为 图１ 波纹板片摆放形式示意图 此，笔者采用化工流体计算软件ｆｌｕｅｎｔ对人字形 如图１所示，３块换热板片形成了上、下两通 板式换热器进行数值模拟，模拟由３块换热板片 道，分别流经冷流体和热流体，由于存在温度差， 组成两个流道，分别流人冷、热两种流体，中间板 热流体将热量经过中间板片传递给冷流体的同 陈文超，男，１９８４年２月生，硕士研究生。江苏省常州市，２１３０１６。 ４６６ 化 工 机 械 ３边界条件的选定 ２０１０正 时，受到上、下板片所形成的人字形的扰动，从而 形成曲折流，在较低雷诺数（Ｒｅ ２３～４００）就能 发生湍流，同时由于实验模型町仃多种样式，采集 根据本文的要求，边界条件定义如下： ａ．入口边界条件。在实际操作中，换热器 数据量大，因而采用数值模拟形式具有很大的优 越性。 ２创建分析模型 人口流速是比其他条件容易得到的，故使用速度 人口条件，入口速度大小为１０ｍ／ｓ，温度设为 ９００Ｋ。 模型的初步创建是由ｔ维制图软件ｓｏｌｉｄ— ｂ．出口边界条件。出口边界采用压力出口 ｗｏｒｋｓ完成的，以实体为保存形式，以ｐａｒａｓｏｌｉｄ格 式为输出格式，然后将生成的文件导入前处理软 件ｇａｍｂｉｔ。在ｇａｍｂｉｔ巾做相应的修改，使相关的 点成线，相关的线成面，相天的而成体，最后将模 型生成两个实体，这两个实体分别代表冷流体和 热流体的流域。 生成的人字形板式换热器结构模型如图２所 示，模型参数为板片间距Ｐ＝１０１ＩＩＩｎ，波高Ｈ＝５ ｍｍ，波纹倾角 ＝３５。，计算Ⅸ域大小为８００ｍｍ ｘ ５００ｍｍ。经网格精度测试，采用一角体网格，网格 大小为２ｍｍ，网格划分如图３所示 图２ 人字形板式换热器结构模型 图３ 结构模型网格图 设置，经多方测试，采用充分发展的温度边界条 件。 ｃ．壁面设置为非滑移的静止壁面 ，即ｎｕ— ｅｎｔ默认的ｗａｌｌ，把壳体所在的壁面设置为绝热边 界，壁面厚度为０．０００７ｍ。 ｄ．在冷热流体的交界面上，由于在模型上 两个实体共用一个面，从而ｆｌｕｅｎｔ会自动地认为 它是交界面，在处理的过程中，会生成ｗａｌｌｌ和 ｗａｌｌｌ—ｓｈａｄｏ．ｒ两个面，这里要在这个面上设置成对 流（ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ）边界，才能使热传到冷流体，如果 不设置，ｌｆｕｅｎｔ会自动默认为ｗａｌｌ，那么将会作为 绝热处理。 ｅ．其余可默认。 ４分析模型求解 在模型求解的过程中，各项设置如下 ： ａ．模型选取。湍流模型选用工程上广泛采 用的 一ｓ标准模型。 ｂ．求解器。采用分离式求解器，该求解器 对问题的收敛有益。 ｃ．压力速度耦合算法。在ｆｌｕｅｎｔ提供的 ｓｉｍｐｌｅ、ｓｉｍｐｌｅｃ和ｐｉｓｏ ３种压力速度耦合算法中， 选用ｓｉｍｐｌｅ算法进行压力修正。 ｄ．对流项离散格式。在分离求解器中，有一阶 迎风离散格式，二阶迎风离散格式和ｑｕｉｃｋ格式，它 们各有所长，笔者采用二阶迎风离散格式。 ｅ．压力差值格式。因本实验中的流动并无 大的旋流产生，故无需额外设置压力差值格式。 ｆ．亚松驰因子的确定。亚松驰因子是控制 计算过程中的迭代更新的因子，ｆｌｕｅｎｔ计算当中一 般都会采用默认，但涉及到换热计算，应选用较少 的松驰系数，笔者在松驰因子的温度选项中选取 ０．８。 ｇ．残差准则。本实验中各残差的准则均为 收敛，且在实验过程中收敛可信残差值定为能量 采用１ Ｘ １０～，其余的都是１×１０ 。 第３７卷 第４期 化 工 机 械 ４６７ ５模拟结果分析 图４为有板片问上半部分温度分布云图。从 图４可看出，与进口平行的方向有明显的温度梯 度存在，并且温度梯度逐渐减小，而沿进口垂直的 方向，从右向左侧温度明显呈走低态势。 瓣３∞ 单位：Ｋ 图４ 热流体中间温度分布 图５、６是冷流体侧不同截面的温度分布图。相 比较热流体而言，同样可以看出进口方向的温度梯 度要比垂直于进口方向的温度梯度大，仍然是主要 的温差应力的产生原因；在另一方向上也仍然存在 相应的温度梯度，但温差较进口方向要小，且从图上 看，近端要比远端温度高，并逐渐降低。 ；． ：单位：Ｋ 冷 位：Ｋ 图６ 冷流体中间温度分布 图７、８为横向截面温度沿坐标分布的静温分 布。由图７可看出，冷流体的温度域是３００～ ３８０Ｋ，温度在这一区间混合均匀，在３４０Ｋ以上出 现温差；由图８可看出，热流体流域为５００～ ９００Ｋ，且在这一温度域不间断出现温差，混合总 体上均匀，温差存在整个温度域当中。 ３６０ 赠 ３４０ 楹 ３２０ ３００ ０．Ｏ５ Ｏ １０ ０．１５ ０．２Ｏ ０．２５ ０．３０ ０．３５ ０ ４０ ０．４５ ０ ５０ 坐标位置／ｍ 图７ 冷流体横向截面静温图 娟 坐标位置／ｍ 图８ 热流体横向截面静温图 ６模拟结果验证 采用南京宜热纵联节能科技有限公司的气一 气高温板式换热器做实验验证，该换热器外形尺 寸１ ２００ｒａｍ×８００ｒａｍ，板片厚度０．５～０．８ｍｍ，当 量直径１４ｒａｍ，换热系数３０～４０Ｗ／（ｍ ・Ｋ）。采 用相同数值模拟的方法，通过计算分析所得数据 见 表１ 表１ ＣＦＤ计算传热系数 ｗ／（ｍ ・Ｋ） 由表１可见，通过ＣＦＤ计算该板式换热器的 ４６８ 化工机械 参 考 文 献 ２０１０年 换热系数均在３０～４０ Ｗ／（ｍ ・Ｋ）范围中，这与 生产厂家提供一致。 ７ 结论 １ 栾志坚．波纹几何参数对人字形板式换热流动形态的 影响机理．山东大学学报（工学版），１９８５，１５（４）：３５～ ３７ ７．１ 应用软件ｆｌｕｅｎｔ对人字形板式换热器进行 温度场的数值模拟，采用双流道形式，此形式并未 简化模型，因此避免了人为误差。 ２郭崇志．固定管板式换热器的温度场数值分析．化工 机械，２００８，３５（６）：３３８～３４２ ３郭崇志，梁泉水．折流杆换热器数值模拟新方法．化工 ７．２ 冷、热流体温度场在平行于进口速度方向 进展，２００７，２６（８）：２６～２８ 上，温度梯度变化明显，层次较为清楚；在垂直进 ４王福军．计算流体动力学分析：ＣＦＤ软件应用及原理． 口速度方向上，温度梯度变化较平行时要低，层次 北京：清华大学出版社，２００４ 不明显。 ５梁泉水．预应力换热器的分析与实验研究：［硕士论 ７．３热流体侧的温度梯度大于冷流体侧的温度 文］．广州：华南理工大学，２００６ 梯度，热流体侧的温差大于冷流体侧的温差。 （收稿日期：２００９￣９—２４，修回日期：２０１０￣５—１３） ＮｕｍｅｒｉｃａＩ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｏｕｂｌｅ ＣｈａｎｎｅＩ Ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｅｖｒｏｎ－Ｓｈａｐｅｄ Ｐｌａｔｅ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ＣＨＥＮ Ｗｅｎｃｈａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｓｕｏｌｏｎｇ，ＬＩＡＮＧ Ｘｉｎ （Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ，２ １ ３０ １ ６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｅｖｒｏｎ・－ｓｈａｐｅｄ ｐｌａｔｅ ｈｅａｔ ｅｘ－－ ｃｈａｎｇｅｒｓ ｕｓｉｎｇ Ｆｌｕｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ａ ｄｏｕｂｌｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｆｏｒｍ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｏｌ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｏｔ ｆｌｏｗ ｅｎ— ｔｅｒｅｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｕｐ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｄｏｗｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｆｏｒ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｈｏｔ ｆｌｏｗ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｅｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ，ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈｅｖｒｏｎ—ｓｈａｐｅｄ ｐｌａｔｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｅｖｉｄｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｄｉｓｔｉｎｃｔ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｏ ｉｎｌｅｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒ・ ａｔｕｒｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｗａｓ ｎｏｔ ｃｌｅａｒ ａｔ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｏ ｉｎｌｅｔ ｖｅ－ ｌｏｃｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｐｌａｔｅ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ，Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ Ｐｌａｔｅ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｇｒａｄｉｅｎｔ （Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ ｆｒｏｍ Ｐａｇｅ ４３１） ＹＵ Ｌｏｎｇ，ＹＵ Ｓｈｕｒｏｎｇ （Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｃｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ，７３００５０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｔａｒｇｅｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｓｅｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｒｉｐｌｅ ｏｆｆｓｅｔ ｂｕｔｔｅｒｌｆｙ ｖａｌｖｅｓ（ＴＯＢＶ）． Ｔｈｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｌ ｓｕｒｆａｅｅ ｏｆ ｔｒｉｐｌｅ ｏｆｆｓｅｔ ｂｕｔｔｅｒｆｌｙ ｖａｌｖｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｅａｌ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔａｒｇｅｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｆｏｕｎｄ，ａｎｄ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｌａｗ ｏｆ ｓｅａｌ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｗｅｒｅ ｄｅｌｅｔｅｄ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｗｅｒｅ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｔｒｉｐｌｅ Ｏｆｆｓｅｔ Ｂｕｔｔｅｒｌｆｙ Ｖａｌｖｅ，Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，Ｓｅａｌ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ，Ｄｅｓｉｇｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ