高粘度流質下管殼式折流板開孔換熱器換熱性能的數(shù)值模擬

葉 萌，喻九陽，鄭小濤，林 緯，鄭 鵬，高 海

（武漢工程大學 機電工程學院， 湖北 武漢 430205）

高粘度流質下管殼式折流板開孔換熱器換熱性能的數(shù)值模擬

葉 萌，喻九陽，鄭小濤，林 緯，鄭 鵬，高 海

（武漢工程大學 機電工程學院， 湖北 武漢 430205）

通過數(shù)值模擬計算研究了4塊弓形折流板管殼式折流板開孔換熱器在高粘度流質下的強化換熱性能。模擬結果表明，在高粘度流質中折流板開后換熱器壓力分布比未開孔前分布均勻些，溫度分布同樣遵循相似規(guī)律，未開孔折流板背根部會產生滯留區(qū)，并且滯留區(qū)隨著速度的增大而增大，折流板開孔后會對流體產生擾動作用，從而改善滯留區(qū)，有助于強化傳熱。

折流板開孔；強化傳熱；數(shù)值模擬

換熱器廣泛應用于能源、石化、制冷空調、建筑、冶金、食品加工、航空及其他一些行業(yè)領域中并在其中占有相當大的投資比例[1]。通過改進換熱器的結構和換熱管型以及通過增加流體的擾動來提高換熱器的換熱效率，對高效換熱器的設計與研發(fā)有很大作用，對節(jié)能減排與提高能源利用率也有重大意義。管殼式換熱器由于結構可靠、技術成熟、適用面廣，是目前熱力系統(tǒng)中最為常用的換熱設備結構形式。

高粘度流體的傳熱在各種工業(yè)過程中都有廣泛的應用，比如消毒殺菌，機械傳動設備的潤滑油的冷卻等。然而，高粘度流體的強化傳熱過程中普遍存在著換熱效率低的特點。因此，如何提高高粘度流體傳熱系數(shù)成了目前傳熱研究的一個重點[2]。

本文對高粘度流質下管殼式換熱器進行了數(shù)值模擬，利用Fluent軟件對折流板開孔和未開孔進行流場模擬，研究高粘度流質下開孔對換熱效率的影響。

1 分析模型

本模型是模擬高粘度流質下四塊折流板管殼式換熱器在開孔和未開孔的換熱效率，換熱器總長1 632 mm，管長1632 mm，換熱管根數(shù)12根，折流板厚度6 mm，管距是42 mm（圖1）。其他的物性參數(shù)如下表1所示。

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

表1 流質物理性質Table 1 Fluid physical properties

2 計算方法及邊界條件

本文利用Fluent軟件對換熱器進行模擬，分析了其內部的溫度分布，壓力分布，并利用軟件對計算的結果進行后處理，得到具體的速度流場云圖，為實驗提供了充分的理論基礎。

由于本模型是軸對稱模型，故只需對模型進行二分之一建模，本文利用gambit2.4.6對模型進行建模和網格劃分，網格類型是t-grid，interval size設為4，網格數(shù)量為216萬。在分析中采用單精度求解器，非耦合穩(wěn)態(tài)隱士求解（simplec），方程選擇為Standard k-e Model（湍流模型）和Standard Wall Functions（標準壁面函數(shù)法）[3]。

邊界條件：

管壁選為wall,溫度設為293.15 ℃，進口選為inletflow，溫度設為333.15 ℃，出口選為pressure outflow，其他邊界設為wall。

在整個計算過程中分別分析比較了當入口速度為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8 m/s時折流板開孔和未開孔的溫度場，壓力場。并且利用Fluent軟件進行了后處理,分別得到對應的溫度，壓力，速度云圖。

3 計算結果與分析

本文在計算中選取了多組速度梯度，對于溫度場和壓力場來說，折流板開孔在隨著速度變化時溫度場和壓力場變化趨勢比較穩(wěn)定，折流板未開孔也同樣符合這個規(guī)律，故而，就去當速度為0.5 m/s時，溫度場和壓力場云圖來進行分析說明。

3.1 溫度場分析

圖2表示的是折流板未開孔時，當速度為0.5 m/s時換熱器的溫度場云圖，圖3表示的是折流板開孔時，當速度為0.5 m/s時換熱器的溫度場云圖。

圖2 未開孔折流板換熱器溫度場Fig.2 Temperature distribution of non-perforated baffle

圖3 折流板開孔換熱器溫度場Fig.3 Temperature distribution of perforated baffle

對比可以看出，在折流板背根部分中折流板開孔比未開孔溫度分布更加均勻，在折流板未開孔條件下的換熱器折流板背根部可以明顯觀察到有溫度滯留，不利于換熱[4]。在開孔條件下的換熱器折流板背根部溫度場可以明顯觀察到有一定的溫度梯度產生，說明開孔有利于熱量的交換。

3.2 壓力場分析

圖4表示的是折流板未開孔時，當速度為0.5 m/s時換熱器的壓力場云圖，圖5表示的是折流板開孔時，當速度為0.5 m/s時換熱器的壓力場云圖。可以從圖4中看出以折流板未開孔時以折流板為界，壓力分布呈現(xiàn)塊狀分布，明顯分布不均勻。圖5中可以看出壓力分布比未開孔時壓力分布均勻一些，說明折流板開孔后壓力有所降低，這樣對外界的動力要求就降低了，有助于節(jié)能。但本文只討論了折流板數(shù)為4的情況，具體的一些分析有待進一步研究。

圖4 未開孔折流板換熱器壓力場Fig.4 Pressure distribution of non-perforated baffle

圖5 折流板開孔換熱器溫度場Fig.5 Pressure distribution of perforated baffle

3.3 速度場分析

如圖6:a,b,c所示，在折流板未開孔的情況下，折流板背根部產生滯留區(qū)，并且隨著速度的增大滯留區(qū)也呈增大趨勢，因為在折流板背根部產生了滯留區(qū)，導致了溫度的和壓力的上分布不均勻，當折流板開孔后，如圖6:d,e,f，從孔部分有一部分垂直與主流體方向的射流[5]，由于射流的產生，折流板背根部的滯留區(qū)的隨之打破，加快了背根部流體的流動，增大了換熱量。同時也正是由于滯留區(qū)的破壞從而使溫度和壓力場的分布變得更加均勻，有助于強化傳熱。

圖6 折流板換熱器速度云圖Fig.6 Velocity distribution of heat exchanger with baffle

4 結論與展望

本文針對在高粘度流質下折流板開孔與未開孔換熱器的傳熱效率進行了數(shù)值模擬，得到如下結論:

（1）高粘度流質中折流板背部同樣存在滯留區(qū)，正因為如此產生了溫度壓力分布的不均勻。

（2）折流板開孔相比較于未開孔，其溫度場與壓力場均比未開孔時要分布均勻些，同時由于開孔后產生了射流，加速了流體在折流板背根部的擾流作用，進而對提高傳熱效率有一定的積極作用。

（3）本文只研究了四塊折流板的情況，有關于壓降的分析有待進一步加強，筆者接下來會對高粘度流質下折流板壓降變化進行分析。

［1］林宗虎.強化傳熱及工程應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

［2］丁聰.高粘度流體的傳熱強化研究進展[J].化工進展,2012,31:416-419.

［3］王為良.管殼式換熱器殼側流場數(shù)值模擬[D].北京：中國石油大學,2010.

［4］鄭小濤，徐成.油封低溫冷卻器折流板開孔的傳熱性能[J].武漢工程大學學報,2012,34(9):62-65.

［5］喻九陽，徐成.低溫油封冷卻器折流板開孔性能機理研究[J].工程熱物理學報,2014,35(2):371-374.

Numerical Simulation on the Performance of the Heat Exchanger With Perforated Baffle in High Viscosity Fluid

YE Meng，YU Jiu-yang，ZHENG Xiao-tao，LIN Wei，ZHENG Peng，GAO Hai
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan 430205, China）

The performance of heat exchanger with 4 baffles and 4 perforated baffles in high viscosity fluid was studied by numerical simulation. The results show that the pressure distribution of the heat exchanger with perforated baffles is more uniformity than that with non-perforated baffles, and so does the temperature distribution; there exists a stagnant zone at the back of the baffles, and the stagnant zone increases with the increase of the velocity. There will be an effect of disturbance when the baffle is perforated, which can improve the stagnant zone to enhance the heat transfer.

Perforated baffle; Heat transfer enhancement; Numerical simulation

TQ 051

A

1671-0460（2015）01-0212-03

2014-07-08

葉萌（1990-），男，湖北蘄春人，研究生在讀，研究方向：化工過程機械。E-mail：137592302@qq.com。