基于熱流固耦合的板殼式換熱器板片力學特性分析及實驗驗證

羅小平 李東航 王兆濤 袁 伍

（華南理工大學機械與汽車工程學院）

換熱器作為一種重要的傳熱設備， 在石油、化工、電力、航空航天及加工業等生產生活領域中有著廣泛的應用［1］，板殼式換熱器作為一種新型的換熱設備，因具有結構設計緊湊、傳熱效率高及占地面積較小等特點，與傳統的換熱設備相比有著更加優越的性能［2］。 板芯作為板殼式換熱器的重要組成部件， 承擔著傳熱承壓的重要功能，板芯中板片的承壓能力大小、傳熱系數及流體與板片間的流阻大小等參數是衡量一個換熱器性能的重要指標。 作為與流體直接接觸的板片，承受板片兩側不同流體帶來的壓差、溫差和液體的腐蝕，使得它成為整個板殼式換熱器中最容易發生失效的部位，也是影響換熱器穩定運行的不安全因素，板片承壓能力不足容易引起液體泄漏，進而引起一系列連鎖反應，對系統造成嚴重的后果。

影響換熱器性能的因素很多，板片的波紋形狀和幾何尺寸對換熱器的性能有很大的影響，國內外學者通過實驗、有限元分析等手段對這些因素進行了大量研究。 Kumar B 等研究了矩形波紋板片幾何參數對板式換熱器水力和熱工性能的影響，結果表明板片的人字形角度對板式換熱器的水力性能有惡化的影響，人字形角越大，壓降越大［3］。 羅志寧等建立了一種矩形凹凸鼓泡式波紋板換熱器模型，通過設置4 種不同的板束放置方式和折流板切口方向對換熱器殼程的傳熱性能進行研究，利用Fluent 軟件得出了壓降最小和傳熱性能最好的模型參數［4］。 國內外學者對于換熱器波紋板片的研究主要集中在板片幾何尺寸對傳熱和壓降特性的影響［5～7］，而對換熱器強度的研究較少。 王戰輝等利用ANSYS 軟件研究了換熱管板管程和殼程在打開的瞬時工況、正常運行的穩態工況下等效應力分布，結果表明溫差應力對整體應力分布規律影響較大［8］。 陳一鳴等利用ANSYS 軟件對固定管板式換熱器的管板在不同工況下的應力分布進行了分析，找出了管板等效應力和最大變形量出現的部位［9］。 陳盛秒和宋凱對換熱器管板進行了壓力試驗，并提出應對換熱器強度進行校核［10，11］。目前，對于換熱器的研究多集中在傳熱和壓降方面，對于強度的研究一般采用單一的模擬分析或進行壓力試驗，缺少相互驗證， 并且研究多針對板式換熱器和管殼式換熱器，對板殼式換熱器的相關研究更少，因此筆者應用熱流固耦合的方法對板殼式熱器進行力學特性分析， 并通過實驗對模擬分析結果進行驗證，為板殼式換熱器的優化設計提供理論和實驗依據。

1 基于熱流固耦合的換熱器板片力學分析

耦合場分析通常是對兩個或更多物理場間相互作用的分析［12］，熱流固耦合是流場、溫度場和固體變形場之間的相互作用，場與場之間不重疊，通過耦合面進行信息傳遞，本次模擬分析中，波紋板片受到兩側壓差作用，同時冷熱流體在板片兩側反向流動，換熱器波紋板片的熱流固耦合分析就是研究板片在流體作用下產生變形，但是由于流體對板片作用影響較小， 產生的變形很小， 忽略變形對流體的作用也能滿足工程需要，因此本次模擬采用單向流固耦合分析。

1.1 波紋板片模型建立與邊界條件設定

此次仿真模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10，假定材料具有的性質為連續性、均勻性和各向異性。 人字形波紋板片（圓形波紋板）相關結構參數如下：

外圓直徑D0242mm

內圓直徑d 40mm

厚度t 0.7mm

波紋高h 3mm

波角θ 120°

波距l 10mm

材料00Cr19Ni10 力學性能參數如下：

拉伸強度 760MPa

屈服強度 340MPa

硬度 187HB

彈性模量 194GPa

泊松比 0.3

密度 7 930kg/m3

板殼式換熱器的換熱板芯由多個形狀、 尺寸均相同的換熱板片焊接而成，由于波紋板片完全相同，不同的換熱板片所受作用過程也完全相同，因此筆者選取其中一組換熱板片作為分析對象并進行熱流固耦合分析，其三維模型如圖1 所示。

有限元計算中，只有網格單元和節點參與計算， 不同的網格劃分對計算結果的影響很大［13］，因此網格劃分至關重要。 ANSYS 中Meshing 網格劃分集成了ICEM 和gambit 的優點，能夠根據不同的物理場要求提供相應的劃分方案。 本次模擬Mesh 平臺的物理場參照類型為Mechanical，網格大小設定為1.0mm，對模型進行網格劃分。

圖1 板殼式換熱器換熱板片三維模型

由于板殼式換熱器波紋板片邊緣是通過焊接固定的，因此對板片有限元模型邊緣施加固定約束。 冷熱流體在板片兩側各自流道內逆向流動，流體與板片之間為熱流固耦合面，結合實際情況，設置如下模擬條件：模擬工質為水，入口為速度入口，出口為標準大氣壓，冷流體入口溫度300K， 熱流體入口溫度360K， 流體入口速度為0.4m/s。 流體沿通道流動產生的壓力和波動會作用于板片，需要運用Fluent 軟件對流體壓力和波動進行模擬計算， 并將計算結果導入Static Structural 模塊，同時指定熱流固耦合面，待全部設置完成方能進行熱流固耦合計算。

1.2 波紋板片力學特性分析

1.2.1 溫度載荷與壓力載荷求解

對換熱板片模型進行網格劃分，并將劃分好的網格文件導入Fluent 軟件， 通過數值計算處理，得到溫度場和壓力場的結果文件，分布云圖如圖2 所示。

把求得的溫度、 壓力載荷施加到波紋板片上，對板片進行熱流固耦合運算，得到波紋板片在該條件下的等效應力分布圖和板片總變形云圖，并進行分析。

1.2.2 波紋板片應力

為研究波紋板片在殼程和板程壓差作用下板片應力分布特點，選取4 種受到不同壓差工況作用的波紋板片進行分析，其等效應力分布云圖如圖3 所示。

圖2 溫度和壓力分布云圖

圖3 板片厚度為0.7mm 時不同壓差作用下等效應力分布云圖

由圖3 可知，波紋板片所受等效應力沿水平中心軸兩側對稱，最大等效應力均位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近，這是由于此處流體的流速比其他地方的大，流體沿著流道分散開來，流速減小，對板片的作用也減弱。 沿同一條波紋流道，波峰或波谷應力變化較大，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應力分布均勻，這是因為在波峰或波谷附近流體流向改變導致流速突然增大，對板片的作用增強。 在最大等效應力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應力較大，此處最易變薄失效。 根據強度理論［14］，換熱器板片在兩側壓差作用下，當最大等效應力大于材料的屈服強度時，板片就會失效。 此次模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10， 其屈服強度為340MPa，由等效應力分布圖可知，壓差為10MPa時， 板片入口第2 條波紋附近出現最大等效應力，為354.22MPa，已超過板片材料的屈服強度，此時板片發生失效。

1.2.3 波紋板片總變形

當不同的壓差作用在波紋板片上時，會使板片產生變形，通過運用ANSYS Workbench 熱流固耦合能夠計算出該條件下的總變形云圖，如圖4 所示。

圖4 板片厚度為0.7mm 時不同壓差作用下總變形云圖

由圖4 可知，波紋板片總變形分布規律與板片等效應力分布規律類似，均沿水平中心軸兩側對稱，板片中心區域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 變形較大區域位于板片中心附近，主要是因為該區域內相鄰板片接觸點較少，焊接支撐部位位于板片邊緣，并且流體在這個區域流動是復雜的曲折流和渦流造成的［15］。 對比4 張變形圖發現，隨著板片兩側壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加，最大變形尺寸在壓差10MPa 時達到最大，為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩定運行。

1.2.4 波紋板片厚度對板片力學性能的影響

本次模擬計算和實驗所用波紋板片厚度為0.7mm，為增加波紋板片強度，運用模擬軟件分析計算板片厚度由0.7mm 增加到1.0mm 后板片的力學性能變化，這對于波紋板片的設計改進具有重要的參考價值，現對壓差10MPa 作用下的波紋板片在厚度變為1.0mm 時進行模擬分析，分析結果如圖5 所示。

圖5 壓差10MPa、板片厚度1.0mm 時等效應力分布和總變形云圖

由圖5 可知，波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時，等效應力分布規律和總變形分布規律仍沿水平中心軸兩側對稱。 對比板片厚度變化前后的等效應力分布和總變形云圖可知，最大等效應力由354.22MPa 減小至322.78MPa， 最大變形量由3.71mm 減小至2.21mm。厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時，最大等效應力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%。 因此，從安全穩定運行的角度考慮，將波紋板片厚度增加至1.0mm 能夠有效提高換熱器板片的強度，降低損壞的風險。

2 板殼式換熱器板片力學性能實驗

2.1 板殼式換熱器板芯組件結構參數

板殼式換熱器波紋板片是組成換熱器板芯的基本單元，實驗用板芯由25 對板組構成，在板芯上下表面加蓋5mm 厚板以保障實驗過程的安全，通過4 根實心圓柱將兩端厚板面焊接以固定板芯，對換熱器板片應力進行測試。 板殼式換熱器波紋板片所用材料為00Cr19Ni10。

2.2 實驗裝置及步驟

如圖6 所示， 整個實驗系統由應變測試模塊、加壓模塊、數據采集模塊、控制模塊和監控模塊構成，實驗前檢查各處應變片粘貼情況以及其他儀器是否處于正常狀態，實驗通過給板芯緩慢加壓以達到測試板芯承壓能力的目的，調節變頻器緩慢加壓至所需壓力， 關閉電磁閥保壓2min，然后進行加壓、保壓，直至壓力驟然下降，此時卸載整個系統的壓力，關閉高壓泵，關閉變頻器，記錄實驗數據。 選擇合理位置布片并選取6 個測點，粘貼電阻應變片。 實驗由25 對板組構成，選取其中的第25、26 塊波紋板片測量，測點位置選擇在圓板外邊緣焊縫處，如圖7 所示。

圖6 實驗系統示意圖

圖7 板片測點位置示意圖

2.3 實驗數據處理及結果分析

對所選取的6 個測點數據篩選分析，為直觀說明各點應力變化情況， 整理實驗所得數據，繪制測點圖（圖8）。 從圖8 可以看出實驗所得測點位置處的環向應力和徑向應力變化趨勢一致，產生波動的原因主要與實驗所處條件、儀器和實驗材料有關。 對于該換熱器板片，實驗過程中只能測量邊緣部位的應力值，無法對板片中間位置進行測量，因此必須對中間區域采用熱流固耦合模擬計算。 實驗過程中，當板芯所受壓力較大時，板片迅速破裂并迸射出水花，這與模擬計算結果一致，同時通過該實驗測得板芯所能承受的最大壓力為9.3MPa，板片設計壓力為10MPa，因此需要對板片進行改進。

圖8 實驗應力測點圖

3 有限元模擬計算與實驗結果對比

針對板殼式換熱器波紋板片力學特性研究，先運用熱流固耦合的方法計算了板片應力分布，通過實驗測試了波紋板片6 個位置處的應力大小以驗證熱流固耦合計算結果的準確性，并對所得結果進行比較（圖9～11）。

圖9 測點1、2 處應力實驗值與模擬值

圖10 測點3、4 處應力實驗值與模擬值

圖11 測點5、6 處應力實驗值與模擬值

由圖9～11 可知， 所選波紋板片6 個測點位置處應力模擬值與實驗值均具有良好的吻合性，雖然實驗值與模擬值存在一定的誤差，但是變化趨勢一致， 說明模擬計算設置的條件較合理，模擬結果可靠。

對于測點1、2 位置，由模擬值和實驗值對比可知，環向應力和徑向應力的模擬值均大于實驗值，當所加載荷在8～9MPa 時，實驗值有較大的應力變化， 說明該位置處板片焊縫應力變化劇烈，從實驗過程可知，此時板片發生變形，失效破裂。對于測點3、4 位置， 由模擬值和實驗值對比可知， 環向應力和徑向應力的模擬值均小于實驗值，當壓力為9MPa 時，環向應力和徑向應力的模擬值與實驗值出現了較大偏差，這是因為此時所施加載荷接近板片失效的應力值， 在該情況下，應力變化劇烈。對于測點5、6，由模擬值和實驗值對比可知，環向應力和徑向應力的模擬值和實驗值吻合較好，這是由于這兩測點距離板片流體進出口位置較遠，流體對該測點影響較小。 在實驗操作中，通過計算機調節電動機轉速來實現加壓過程，電動機轉速對加壓過程產生影響，轉速不穩定能夠引起流體進出口出現壓力波動，影響應力值的測量。

4 結論

4.1 波紋板片所受等效應力沿水平中心軸兩側對稱，最大等效應力位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近；沿同一條波紋流道，應力變化較大處位于波峰或波谷的位置，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應力分布均勻，在最大等效應力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應力較大，此處最易變薄失效。

4.2 波紋板片總變形沿水平中心軸兩側對稱，板片中心區域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 隨著板片兩側壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加， 最大變形尺寸在壓差10MPa 時達到最大，此時變形量為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩定運行。

4.3 波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時，等效應力分布規律和總變形分布規律均沿水平中心軸兩側對稱。 對比板片厚度變化前后的等效應力分布和總變形云圖可知，厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時，最大等效應力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%，厚度的增加能夠提高板片強度。

4.4 所選波紋板片測點位置處應力實驗值與模擬值雖然存在一定的誤差，但是實驗值與模擬值變化趨勢一致，說明模擬計算設置的條件較為合理，模擬結果可靠。