板式換熱器綜合性能的多場(chǎng)協(xié)同分析

張玉鋒,李旭圓,賈令劍（.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司;　.華能煙臺(tái)發(fā)電有限公司,山東　煙臺(tái)　64006）

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板式換熱器綜合性能的多場(chǎng)協(xié)同分析

張玉鋒1,李旭圓2,賈令劍1
（1.煙臺(tái)龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司;2.華能煙臺(tái)發(fā)電有限公司,山東煙臺(tái)264006）

摘 要：對(duì)BR0.015F型特定結(jié)構(gòu)板式換熱器實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值模擬方法和多場(chǎng)協(xié)同原理，對(duì)板式換熱器的流動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：速度場(chǎng)、速度梯度場(chǎng)、壓力梯度場(chǎng)協(xié)同原理同樣適用于湍流情況；速度和壓力梯度的夾角與速度和速度梯度的夾角都可以說(shuō)明換熱器流動(dòng)阻力的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：多場(chǎng)協(xié)同；板式換熱器；湍流；數(shù)值計(jì)算

0　引言

對(duì)于板式換熱器研究的試驗(yàn)和數(shù)值分析，馬學(xué)虎等[1]分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用理論系統(tǒng)地分析了影響特定結(jié)構(gòu)板式換熱器流動(dòng)與換熱的三個(gè)重要波紋板片參數(shù)：波紋夾角、波紋高度和波紋節(jié)距。蔡毅等[2]建立了與特定結(jié)構(gòu)波紋板片實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的冷熱雙流道物理模型，比較準(zhǔn)確的反應(yīng)換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)與換熱特性。徐志明[3]等通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)BR0.015F型換熱器進(jìn)行流體的流動(dòng)和傳熱分析，得出兩側(cè)流動(dòng)非常不均勻，單側(cè)能出現(xiàn)明顯傳熱“死區(qū)”的結(jié)論。何雅玲等[4]從能量方程式為計(jì)算依據(jù)，著重分析了速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的協(xié)同性，為板式換熱器的更好換熱提供了理論支持。

1　換熱器數(shù)值計(jì)算模型

物理模型參考東北電力大學(xué)熱能實(shí)驗(yàn)室BR0.015F型板式換熱器結(jié)構(gòu)尺寸，建立逆向流動(dòng)雙通道物理模型。 物理結(jié)構(gòu)形式如表1：

表1　　　　　　　　　

數(shù)值計(jì)算采用RNG k-ε湍流模型，此模型的理論模擬基礎(chǔ)為通用形式的能量控制方程式。入口采用速度入口條件，其數(shù)值由試驗(yàn)計(jì)算得出，溫度采用物理試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)；出口采用壓力出口條件，其出口表壓為試驗(yàn)計(jì)算得出。冷熱流道接觸面設(shè)為換熱面，其余各面設(shè)為絕熱邊界條件。

數(shù)值模擬軟件采用FLUENT，網(wǎng)格劃分利用FLUENT前置軟件Gambit，將模型分割為進(jìn)出口，在兩端采用網(wǎng)格加密，其余換熱區(qū)域盡量采用六面體網(wǎng)格劃分，在貼壁區(qū)域和物理擴(kuò)散區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，可以較好滿足計(jì)算精度。

2　計(jì)算結(jié)果和場(chǎng)協(xié)同原理分析

2.1傳熱計(jì)算結(jié)果分析

在 Re=70～950范圍內(nèi)，特定結(jié)構(gòu)板片的努賽爾特?cái)?shù)隨著波紋傾斜角度的增加不斷增加，波紋傾斜角度在72度之前，摩擦阻力系數(shù)隨角度增加不斷增加，到達(dá)72度之后基本保持平穩(wěn)，與W.W.Focke的試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2.速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)協(xié)同分析

2.3速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)協(xié)同分析

速度場(chǎng)與壓力梯度場(chǎng)夾角平均值θm與Re的關(guān)系，隨著波紋傾斜角δ的增大，其θm值隨著數(shù)的增加而減小，且減小的趨勢(shì)逐漸變緩，速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的協(xié)同性逐漸變差，壓力梯度的作功能力下降，產(chǎn)生的壓降增大，表明場(chǎng)協(xié)同角θ同樣適用于湍流流動(dòng)。

2.4速度場(chǎng)與速度梯度場(chǎng)協(xié)同分析

通過(guò)二維平行通道層流換熱邊界層動(dòng)量守恒方程推導(dǎo)出歐拉數(shù)Eu與無(wú)因次速度與速度梯度的點(diǎn)積的關(guān)系式。認(rèn)為速度場(chǎng)與速度梯度場(chǎng)的夾角α越大，則點(diǎn)積U?ΔU越小，歐拉數(shù)Eu越小，速度場(chǎng)與速度梯度場(chǎng)的協(xié)同越差，流體的流動(dòng)阻力越小。

3　計(jì)算方法驗(yàn)證

本文采用BR0.015 F 型特定結(jié)構(gòu)板式換熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果誤差值均在2%到6%之間，說(shuō)明計(jì)算模型能夠反映換熱器內(nèi)部流體換熱情況，本文所述計(jì)算模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的，可以為更多的相似物理結(jié)構(gòu)換熱器進(jìn)行理論指導(dǎo)。

4　結(jié)論

（1）在湍流情況下，速度場(chǎng)、速度梯度場(chǎng)、壓力梯度場(chǎng)協(xié)同原理同樣適用。

（2）速度與壓力梯度場(chǎng)的協(xié)同原理以及速度與速度梯度的協(xié)同原理都可以闡釋流動(dòng)阻力的變化機(jī)理與趨勢(shì)，當(dāng)傾斜角δ>72°時(shí)，速度與壓力梯度場(chǎng)協(xié)同原理能夠更真實(shí)的反映流動(dòng)阻力的變化。

（3）傾斜角δ=80°時(shí)，速度場(chǎng)、溫度梯度場(chǎng)協(xié)同較好；傾斜角δ=30°時(shí)，速度場(chǎng)、壓力梯度場(chǎng)協(xié)同較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬學(xué)虎,林樂(lè),蘭忠等.低Re下板式換熱器性能的實(shí)驗(yàn)研究及熱力學(xué)分析[J].熱科學(xué)與技術(shù),2007,6(01):38-44.

[2]菜毅.板式換熱器性能的數(shù)值模擬研究核試驗(yàn)研究[D].北京:北京化工大學(xué),2007.

[3]徐志明,王月明,張仲彬.板式換熱器性能數(shù)值模擬研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2011,3(01):198-202.

[4]何雅玲,雷R(shí)e,田麗亭等.高效低阻強(qiáng)化換熱技術(shù)的三場(chǎng)協(xié)同性探討[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(11):1904-1906．

作者簡(jiǎn)介：張玉鋒（1978-），男，山東曲阜人，碩士研究生，工程師，研究方向：熱能動(dòng)力工程。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.230