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1、大小孔折流板換熱器分析
大小孔折流板換熱器分析
2014/07/30
《機械工程與自動化雜志》2014年第二期
1邊界條件和計算方法
如圖1所示,面1~4設置為對稱面,流道的兩個端面設置為周期性邊界,介質(zhì)為水,介質(zhì)的入口溫度為300K。管壁面設置為恒溫邊界,溫度為400K,且為標準無滑移壁面。利用Fluent進行模擬計算時,采用3D、穩(wěn)態(tài)、基于壓力的隱式求解器。湍流模型選用標準的κ-ε模型,并且包含能量方程,壓力選用標準的離散格式,其他的如動量、湍動能和耗散率選用二階
2、迎風離散格式。在進行流場數(shù)值計算時選用SIMPLE算法。從文獻[10]分析可以看出,采用這種周期性模型的數(shù)值結(jié)果誤差在工程允許范圍內(nèi),能很好地反映換熱器殼程流動和傳熱特性。
2計算結(jié)果與分析
2.1場分析對殼程流道雷諾數(shù)為29974的工況進行了計算,流道X=0截面上的壓力場、速度場、溫度場和角度場(溫度梯度與速度矢量的夾角)等值圖見圖3。從圖3(a)可以看出,流體在經(jīng)過大小孔折流板大孔與換熱管形成的環(huán)隙時,壓力梯度比較大,而通過環(huán)隙后,壓力梯度變小,說明殼程流體阻力主要集中在孔板附近。從圖3(b)的速度場可以看出,當殼程流體流過大小孔折流板時,在環(huán)隙處形成高速流體,沖向相鄰管之間的區(qū)域,加
3、快了管表面流體的流速,強化了管壁傳熱,且在折流板背面形成低壓區(qū),如圖3(a)所示,流道兩側(cè)管間的高壓區(qū)流體向低壓區(qū)回流,增加了流體的湍動與混合,從而達到了強化傳熱的目的。由圖3(c)可知,在靠近管壁附近,殼程流體的溫度梯度比較高,而在流體內(nèi)部溫度分布比較均勻,說明傳熱效果比較好。分析圖3(d)所示的角度場可以得知,單元流道的協(xié)同角在流道中心區(qū)域較小,說明在中心區(qū)域協(xié)同度比較好。
2.2雷諾數(shù)和折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對單元流道角度場平均協(xié)同角的影響圖4和圖5分別為雷諾數(shù)和折流板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對單元流道角度場平均協(xié)同角的影響。從圖4可以看出,隨著雷諾數(shù)的增大,即湍流程度的增加,單元流道角度場的平均協(xié)同角逐
4、漸降低,說明隨著雷諾數(shù)的增加,其傳熱效果越好。并且在雷諾數(shù)超過30000后,單元流道角度場的平均協(xié)同角趨于平緩。從圖5可以看出,隨著大孔直徑和板間距的增加,單元流道的平均協(xié)同角也逐漸增大,說明在大孔直徑和板間距較小時,單元流道的協(xié)同度會更好,即傳熱效率更高,這與文獻[4]中的結(jié)論相吻合,即隨著大孔直徑和板間距的減小,大小孔折流板換熱器傳熱效果更好。
3結(jié)論
本文應用有限元軟件ANSYS-Fluent建立了大小孔折流板換熱器周期性的單元流道模型,通過對該模型的分析,揭示了大小孔折流板換熱器內(nèi)部流道的壓力、溫度、速度和角度場的分布規(guī)律,并且從角度場的分析得知,隨著雷諾數(shù)的增大,大小孔折流板換熱器殼程角度場的平均協(xié)同角逐漸降低,其傳熱效果越好;而當大孔直徑和板間距較小時,大小孔折流板換熱器殼程的場協(xié)同度較好,具有更好的傳熱性能。
作者:孫海陽單位:(太原理工大學化學化工學院
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