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《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(shè)置為對稱面，流道的兩個端面設(shè)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(shè)置為恒溫邊界，溫度為400K，且為標(biāo)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(biāo)準的κ－ε模型，并且包含能量方程，壓力選用標(biāo)準的離散格式，其他的如動量、湍動能和耗散率選用二階迎風(fēng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(xué)化學(xué)化工學(xué)院