基于FLUENT的水冷多管頭冷卻器的數值模擬

蔡容　鄭秀云

摘要：建立水冷多管頭冷卻器的三維模型的物理與數學模型，利用Fluent軟件，采用標準湍流模型，對冷卻器進行數值模擬研究。經分析知模擬結果與實際情況較吻合，此方法為水冷多管頭冷卻器的設計及優化提供了理論參考和科學依據。

關鍵詞：水冷多管頭冷卻器;Fluent;流場;溫度場;數值模擬

中圖分類號：TB65 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0016-01

0 引言

冷卻器是屬于換熱器的一種，而水冷多管頭冷卻器是電力及液壓系統中普遍使用的一種冷卻器，同時也適用于冶金、化工、礦山、輕工及重工等企業[1]。利用該冷卻器可使具有一定溫差的兩種介質實現熱交換，從而達到降低溫度，使設備正常運行。

水冷多管頭冷卻器的內部結構以及外部參數的選取對于換熱效率有著比較重大的影響，本文利用軟件Fluent對冷卻器內液體流場和溫度場的分布進行數值模擬研究，為水冷多管頭冷卻器的設計及優化提供了理論參考，具有較大的理論和現實意義。

1 模型的建立與網格劃分

水冷多管頭冷卻器主要由殼體和冷卻管組成，按照裝置的真實尺寸，用PROE來建立三維立體模型，將PROE的模型以.x_t的格式保存并導入GAMBIT里，通過布爾運算將冷卻器內的個體分割出來，再進行網格劃分[2-3]。在軟件PROE中建立的實體模型，必須在將模型導入GAMBIT后，劃分網格之前，對于模型進行預處理，修改一些結構上的小缺陷[4]。冷卻管區域采用Hex/wedge單元，cooper非結構網格劃分;殼體用Tet/Hybrid單元中的TGrid混合網格來劃分網格;進、出管口采用Hex/wedge單元，cooper非結構網格劃分。整體網格模型如圖1所示。

2 數值方法

將網格文件導入Fluent中進行模擬分析，本文采用整體解法將固體區域和液體區域的傳熱組合起來，將冷卻器外壁與外部空氣的對流、冷卻器內冷熱介質的對流作為一個統一的問題同時進行求解。

本計算中選用標準模型，為了簡化問題，在數值模擬過程中，采用以下流動換熱模型：冷卻器內液體流動為穩態、湍流，且沒有自定義的源項;忽略固體壁面間的熱輻射。選擇有限體積法離散控制方程，采用QUICK格式和中心差分格式分別作為對流項和擴散項的離散格式，流場計算使用SIMPLE算法，能量方程和動量方程用二階迎風格式離散，使用默認的松弛因子進行迭代計算直到最終收斂。

3 數值模擬結果與分析

3.1 初始結構分析

設置相應的冷水和熱油進口邊界條件：速度和溫度，得出如圖1所示的數值模擬結果，其中溫度分布于速度分布情況如圖2（a）所示，油液進口溫度為320k，出口的溫度有了明顯的降低，溫度為312k，經過冷卻器的冷卻后，油液溫度明顯降低。而冷卻水的溫度在進口處為300k，出口處為302k，溫度有稍許提高。

由圖2（b）速度場分布可以看出在冷卻水進口處速度沖擊較大，流動較為劇烈，管路內部流動平穩，出口處速度有稍許增加。在油液區域速度基本一致，速度較小，流動平緩。

3.2 優化結構分析

水冷多管頭冷卻器主要由殼體、冷卻管，進出管口等結構組成的。為了讓冷卻效果更好，可以通過增設隔板來解決。增加隔板后，重新建立模型，各自分析不同數量的隔板時的溫度場（其余條件保持不變），如圖3所示。從圖中可以明顯觀察到隨著隔板個數的增加，冷卻效果更好。在隔板的存在下，在每塊隔板后都會出現一定的溫降，隔板數越多，溫降越明顯。主要原因是因為油液在水管外部流動時，它的行進路線加長，從而增加了散熱效果。

本節主要是對水冷多管頭冷卻器內的結構和內部參數變化進行分析，從而為冷卻器的設計優化提供依據。經過對比分析發現，在冷卻器內添加隔板，冷卻效果明顯。

4 結語

本文利用Fluent軟件，選用標準兩方程模型以及壁面函數法，基于整體分析并求解水冷多管頭冷卻器處于穩態條件下的溫度場和速度場。限于網格生成的難度，本文做了部分簡化，因而影響了模擬結果的準確性，但從計算結果來看，溫度分布與速度分布比較符合實際情況。此外，水冷多管頭冷卻器的流場和溫度場大多受到自身結構的影響，所以可以優化結構來改變冷卻器的性能。通過在冷卻器內部添加隔板，可以大幅度的提升冷卻效果，從而為以后冷卻器的設計提供參考。

參考文獻

[1] 錢頌文.換熱器設計手冊[M].化學工業出版社，2003.

[2] 王福軍.CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3] 韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[4] 于勇.fluent入門進階教程[M].北京：北京理工大學出版社，2008.

Numerical Simulation of Water-cooled Multi-head Cooler Based on FLUENT

CAI Rong， ZHENG Xiu-yun

（City College， Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei? 430083）

Abstract：The physical and mathematical models of the three-dimensional model of water-cooled multi-head cooler are established. The numerical simulation of the cooler is carried out by using Fluent software and standard turbulence model. The analysis shows that the simulation results are in good agreement with the actual situation. This method provides a theoretical reference and scientific basis for the design and optimization of water-cooled multi-head cooler.

Key words：water-cooled multi-head cooler;Fluent;flow distribution;temperature field;numerical simulation