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1、顺逆流换热器传热性数值模拟比较摘要：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 （Computer Fluent Dynamics）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、是否采取强化措施对总传热系数有明显的影
2、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、流量以及比热容在
3、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、K方程、8方程和传热方程组成：du门（1）连续性方程：dX二0【5】（ 2）动量方程：dpuidtd(pu u+dxjL_生+dxiddx式中，卩eff紊流有效粘性系数，卩前=卩十巴;3)能量方程：dpT d(pu T) d+ jdtdxjdxj厂kdT I+ 二codxpT丿j（4）稳流动能方程（K方程）dp k
4、 d(puk)d+ jddxjdxjdkdxjdu I du+ H尹I尹+t dx I dxjjdu IX dT卜 I - pe - P g 一 一 dx 丿j o dxiT j（5）紊流能量耗散方程（方程）dpe d lpu e 丿 d+ jddxjdxj、卩+亠o丿 ydxje du (duQu + C LX i +j1 k t dx I dxdxj jipe 2-c 一2k6）传热方程：Q=KAATm式中 Q传热量;K总传热系数;A传热面积；ATm热冷流体的对数平均温差。【6】增大传热温差的方法有两种：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
5、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 -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/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
6、面为出口。中间壁面传 热系数K=300 W/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=300 W/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
7、率高。Nw 07,2011Fjjssrr E3 谆i.黄口 *1e-021e01&+02 -q1e+01 -ie+( iinletbig = -417.71698 Outletbig= 411.44308 Net = 6.2738953)；( 2 )对同一个截面上的传热量 (inletbigniliu=42.517361 inletsmall =759.14355 Net= 801.66092)(iinletbig= -417.71698 inletsmall =759.138 Net= 341.42102)5 结论(1) 实验结论(如下图)数值模拟的结果与实验结果分析结果一致说明fluent是可以用于换热器布置方式的研究的。（2）换热器逆流布置比顺流布置换热量多，换热效果增强，换热效率高。（3）数值模拟较实验直观，清晰，但是和实验有时会有一些偏差。参考文献： 【1】吴值仁，毛四成不同金属换热面对总传热系数的影响制冷与空调，2010；10（2）：23-25.【2】 周士强强化传热仔换热器中的应用黑龙江石油化工，1998；（9）：31-33.【3】周承富等，陈小榆等.三通管二维湍流数值模拟J甘肃石油和化工，2007.12【4】杨世铭，陶文权传热学M第四版高等教育出版社,474-477【5】康丽萍多出口蓄水池的三维数值模拟J【6】管壳式换热器数值模拟与斜向流换热器研究D
