熱交換器的設計與仿真分析

孟俊濤

摘要：為了研究流體在熱交換器中對燃氣輪機發動機機油的冷卻效果，我們就以流固耦合理論為基礎，利用Catia軟件建立熱交換器的三維模型，并利用ANSYS對其進行流固耦合分析，結果表明：冷卻效果符合預期，結果合理可靠，滿足設計要求。

關鍵詞：熱交換器;流固耦合;ANSYS

0? 引言

熱交換器是一種常見的熱交換設備，它主要是用來使熱量從高溫流體傳遞給低溫流體，以此滿足特定工藝要求的一種裝置，根據其具體的使用目的可以分為冷凝器、加熱器、冷卻器和汽化器，其應用的基本原理就是熱傳導以及對流傳熱[1，2]。

1? 結構設計

新型套管式熱交換器的基本結構如圖1所示，主要由兩部分組成，外部是冷卻劑流動層，用于冷卻套管內部的高溫流體;內部是熱交換器的套管，里面流動的是高溫機油。

該熱交換器中起降溫作用的是外部冷卻劑流動層，它與熱交換器套管中的高溫機油通過逆流的方式，在熱交換器內管壁進行對流換熱。具體流動方案如圖1所示，機油由左上方入口進入換熱器，從右下部出口流出，而冷卻水流動方向恰好與之相反，從右下方入口進入換熱器，從左上部出口流出，經查閱相關資料可知，采用逆流的方式能夠更好的降低高溫機油的溫度[3，4]。

2? 建模與仿真

通過Catia軟件對熱交換器進行三維建模，如圖2所示，將繪制好的模型導入到ANSYS Workbench中的CFX分析模塊[5]，對模型采用四面體網格劃分，只要網格的數量足夠多，四面體網格同樣能保證相同的精度[6]，生成的網格圖3所示，ANSYS Workbench中包含有多種網格質量檢查準則，對于不同的分析項目而言，其所對應的網格質量檢查規則也就不一樣，我們選擇一種較為常用的網格質量檢查規則，也就是Element Quality（單元質量檢查），該數值越接近于1說明網格質量劃分的越好，此次平均網格質量為0.81，可以認為網格質量滿足此次計算要求，如圖4所示，其中網格節點數180.4萬，網格單元數128.4萬。

3? 邊界條件

根據設計要求，保證機油出口溫度不得超過70℃，其中流經套管內的高溫機油入口邊界條件為質量流量入口，質量流量為0.02Kg/s，入口溫度為200℃;冷卻劑的入口邊界條件為質量流量入口，質量流量為0.4Kg/s，入口溫度為20℃;模型壁面采用默認的標準壁面函數，無滑移邊界，采用二階迎風格式進行計算[7，8]，冷卻劑與機油的設置參數如圖5、圖6所示。

4? 結果與討論

觀察機油溫度分布云圖（圖7）可知，機油在有冷卻水的位置溫度較低，主要是因為此部分冷卻水流速較高，帶走了大量的熱量，彎曲部分溫度較高，約為90℃左右，最高溫度出現在機油入口處，為200℃，其中機油的出口溫度低于70℃，滿足設計要求;觀察熱交換器表面溫度分布云圖（圖8）可知，流經冷卻劑管道的溫度較低，最高溫度出現在冷卻劑出口位置，不超過80℃，而流經機油管道的溫度較高，其中最高溫度出現在管道彎曲部分，約為96.6℃。

5? 結論

以流固耦合理論為基礎，利用catia軟件建立了熱交換器三維模型，并通過CFX軟件對其進行流固耦合分析，得到了機油的溫度分布云圖，結果表明：該換熱器能夠將機油溫度降到合理安全范圍內，符合設計要求。

參考文獻：

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[2]史美中，王中錚.熱交換器原理與設計[M].南京：東南大學出版社，2018.

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[4]敖江麗，于海俠.換熱器順流和逆流方式應用效果比較[J].中國氯堿，2014（11）：32-33.

[5]丁源.ANSYS CFX 19.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2020.

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[8]王麗娟，張家銘，張海瀟，等.基于流固耦合的埋地供水管道地震響應分析[J].深圳大學學報（理工版），2020，37（03）：271-278.