大小孔折流板换热器分析范文

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《机械工程与自动化杂志》2014年第二期

1边界条件和计算方法

如图1所示，面1～4设置为对称面，流道的两个端面设置为周期性边界，介质为水，介质的入口温度为300K。管壁面设置为恒温边界，温度为400K，且为标准无滑移壁面。利用Fluent进行模拟计算时，采用3D、稳态、基于压力的隐式求解器。湍流模型选用标准的κ－ε模型，并且包含能量方程，压力选用标准的离散格式，其他的如动量、湍动能和耗散率选用二阶迎风离散格式。在进行流场数值计算时选用SIMPLE算法。从文献［10］分析可以看出，采用这种周期性模型的数值结果误差在工程允许范围内，能很好地反映换热器壳程流动和传热特性。

2计算结果与分析

2．1场分析对壳程流道雷诺数为29974的工况进行了计算，流道X＝0截面上的压力场、速度场、温度场和角度场（温度梯度与速度矢量的夹角）等值图见图3。从图3（a）可以看出，流体在经过大小孔折流板大孔与换热管形成的环隙时，压力梯度比较大，而通过环隙后，压力梯度变小，说明壳程流体阻力主要集中在孔板附近。从图3（b）的速度场可以看出，当壳程流体流过大小孔折流板时，在环隙处形成高速流体，冲向相邻管之间的区域，加快了管表面流体的流速，强化了管壁传热，且在折流板背面形成低压区，如图3（a）所示，流道两侧管间的高压区流体向低压区回流，增加了流体的湍动与混合，从而达到了强化传热的目的。由图3（c）可知，在靠近管壁附近，壳程流体的温度梯度比较高，而在流体内部温度分布比较均匀，说明传热效果比较好。分析图3（d）所示的角度场可以得知，单元流道的协同角在流道中心区域较小，说明在中心区域协同度比较好。

2．2雷诺数和折流板结构参数对单元流道角度场平均协同角的影响图4和图5分别为雷诺数和折流板结构参数变化对单元流道角度场平均协同角的影响。从图4可以看出，随着雷诺数的增大，即湍流程度的增加，单元流道角度场的平均协同角逐渐降低，说明随着雷诺数的增加，其传热效果越好。并且在雷诺数超过30000后，单元流道角度场的平均协同角趋于平缓。从图5可以看出，随着大孔直径和板间距的增加，单元流道的平均协同角也逐渐增大，说明在大孔直径和板间距较小时，单元流道的协同度会更好，即传热效率更高，这与文献［4］中的结论相吻合，即随着大孔直径和板间距的减小，大小孔折流板换热器传热效果更好。

3结论

本文应用有限元软件ANSYS－Fluent建立了大小孔折流板换热器周期性的单元流道模型，通过对该模型的分析，揭示了大小孔折流板换热器内部流道的压力、温度、速度和角度场的分布规律，并且从角度场的分析得知，随着雷诺数的增大，大小孔折流板换热器壳程角度场的平均协同角逐渐降低，其传热效果越好；而当大孔直径和板间距较小时，大小孔折流板换热器壳程的场协同度较好，具有更好的传热性能。

作者：孙海阳单位：（太原理工大学化学化工学院