兩相流工況下板翅式換熱器進料封頭結構優化設計

韓明剛

(咸陽職業技術學院 機電(技師)學院，陜西 西安 712000)

0 引言

板翅式換熱器是一種結構緊湊、換熱高效、工況適應性強的間壁式換熱器，廣泛應用于空氣分離、石油化工、航空航天和低溫工程等工業領域。研究表明板翅式換熱器內部的溫度場、流場的分布不均和縱向傳熱是引起小溫差、高傳熱單元數(NTU)以及微通道換熱器整體效能下降的主要原因[1-2]。而事實上這三者之間具有耦合關系，其中物流的分配不均會加劇溫度場的分布不均和縱向傳熱，所以物流的分配不均對換熱器整體效能的影響最為顯著[3]。因此，國內外學者廣泛研究換熱器的物流分配特性，從而改善換熱器的整體效能。

吳裕遠等[4]研究表明，氣液分配不均能使低溫兩相流板翅式換熱器的效能下降 20%～40% 。焦安軍等[5]建立了物流分配不均勻性對換熱器效能影響的理論分析模型，計算發現對于設計 NTU> 100的板翅式換熱器，物流分配的不均勻性引起換熱器效能的下降量在 10%以上。

由于物料的分配不均勻嚴重影響板翅式換熱器的整體性能，國內外學者提出多種不同的改善換熱器入口物料分配不均的措施[6]，主要集中于封頭和導流片結構的改進，另外還有針對兩相流體分配的改進研究，還有針對海上晃蕩工況下封頭內兩相流分配特性的模擬研究[7]。

關于封頭，焦安軍等[8]、王江等[9]將原來的一次封頭分配改為二次封頭分配，提出了二次封頭的結構形式。沈素萍等[10]在此基礎上改進二次封頭的型線，研究指出正切形封頭的效果最佳。雖然二次封頭使物流分配特性有所改善，但在工程實際中由于其結構復雜而不便安裝。

上述研究均針對換熱器進料封頭結構開展了相應的研究，但是不同領域的板翅式換熱器所需的性能要求各不相同，運行工況也有差異，此外還需考慮設計、加工、制造安裝的難度和成本，因此目前也暫未有一種通用、有效的改進措施，有關板翅式換熱器物流分配特性仍需要進一步的研究與完善。本文將針對兩相流工況下板翅式換熱器的進料物流分配問題展開研究，提出一種新型改進型封頭，并通過模擬分析改進型封頭的物料分配特性。

1 研究模型

本文研究對象來源于某空分裝置，由一個水平半圓柱流道和一個豎直圓柱流道相貫而成。模型的尺寸即為實際構建尺寸，其主要的結構尺寸為入口管徑200mm、長176mm；封頭為瓜皮式結構，直徑308mm、長905mm。出口通道尺寸為9.5mm×285mm，數目為15個，呈對稱分布。封頭結構見圖1。

圖1 原型封頭結構示意圖

2 原始模型的CFD模擬

2.1 模型建立

使用SolidWorks建模軟件參照圖1對封頭進行建模。

2.2 網格劃分

1)整體網格處理

本文對原始封頭進行非結構化網格劃分，也就是基于八叉樹算法的四面體網格。其中網格的最大尺寸為10mm，在壁面處進行邊界層處理。

2)邊界層網格處理

在近壁區，流動情況變化很大，特別是在黏性底層，流動幾乎是層流流動，湍流應力幾乎不起作用，因此湍流模型在此處的模擬精度很低。對此本文對邊界層的處理利用了壁面函數法，邊界層網格的層數為3，第1層網格的高度為1.5mm，增長率為1.2。

3)局部網格加密處理

由于封頭出口的微型通道的寬度為9.5mm，稍微小于最大網格尺寸，所以在微型通道處的網格顯得十分稀疏，這樣不能真實地反映出口處的流場情況。本文采用調整網格密度方法對15個微型通道處網格進行加密，加密策略為pure refinement，迭代次數為2次。最終網格劃分效果參見圖2。

圖2 原型封頭網格劃分效果圖

2.3 求解條件

依據CFD邊界條件選用準測和實際換熱器的工作情況，設置計算模型的邊界條件為：進口面為速度入口條件；出口面為壓力出口條件；其余面為壁面。

工作介質選擇標準狀態下空氣和水的混合物，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.7894×10-5kg/(m·s)，水密度為998.2 kg/m3，黏度為1.003×10-3kg/(m·s)，湍流模型選用k-ε模型，多相流模型為歐拉模型，壁面函數為標準壁面函數；進口速度為6 m/s，出口壓力是0.1 kPa。

分離求解算法采用的是SIMPLE算法，離散化方法通量采用二階迎風格式。

由于多相流模擬難度大，故設置收斂殘差為10-3，迭代步數2500。

2.4 網格無關性驗證

本節分析網格的疏密程度對數值計算結果的影響，從而在計算精度和計算耗時之間尋求最佳的平衡點。網格無關性驗證采用本節介紹的原始封頭的計算模型。表1列出了在不同網格數量下的數值計算結果。

表1 不同網格數目下原始封頭計算結果

分析表1中的結果可以發現，隨著網格數的增加，各個計算結果均發生了變化，但是當網格數目從684399增加到1130588時，結果的變化幅度要遠小于網格數從195697增加到684399時結果的變化幅度。所以認為當網格數達到684399時，已經滿足計算要求，再增加網格數對計算精度沒有較大的提升。同時考慮到計算時間，最終選擇網格數為684399，與之對應的網格最大尺寸為10mm。

2.5 計算結果

在上文指定的入口工況下，對建好的模型進行CFD模擬，通過改變氣液比和入口流速可以得到多組數據，下面通過一組數據來描述原始封頭物料分配情況。

圖3為氣體所占體積分數為0.2，兩相入口流速均為6 m/s條件下，水和空氣的速度云圖及組分分布圖。

由圖3，得到以下幾個結論。

圖3 空氣和水的速度云圖及組分分布圖

1)從空氣和水的組分圖中不難看出，兩相流體集中區域相同，稀少區域也相同，水和空氣有著極其相似的流動特性，不會因為兩相混合而有所區別。

2)水速度云圖所示的截面流動情況和單相流流動相似。從圖中可得，在正對入口管的地方，流速較大，流體在入口管中沒有速度差異，而流體從入口管進入封頭后有著很明顯的速度下降，并且速度分布沿中軸線對稱分布，封頭內部兩側流體流速與中軸處流體速度有著明顯的界線，這樣速度差異的產生根本原因就在于流體從入口管進入封頭的過程中，流場的當量直徑發生突變，流動截面從圓形突變到矩形，從而使流體主要集中在圓形小范圍內，封頭內兩側流體分布較少。

3)觀察兩相速度云圖的出口狀況，可以發現一個共同點，流體在中心處存在一定的空洞區域，即速度急劇下降，分析原因可能是在中部出口處存在一定的漩渦，導致大流量出口處形成小范圍的死區，影響了流動。

4)觀察15個出口通道，流體在中部通道較為集中，從中間向兩邊逐漸減少，以至于在云圖上顯示兩邊近6個通道流速極低。這說明在原型封頭中，流體流動在逐漸均勻化，由于封頭的軸向尺寸過短，流體無法進一步擴散，影響整體流動均勻性。

為了進一步研究流動的均勻性，在觀察云圖的基礎上，文獻[11]中的實驗通過15個通道的出口流速直觀地顯示出原型封頭的兩相流流動情況。圖4為與圖3相同工況下的出口流速圖。縱坐標為流速，橫坐標從左到右分別對應15個通道。

圖4 氣體體積分數0.2時兩相出口速度

由圖4可得如下結論。

1)對于原型封頭，其出口流速呈對稱分布，且變化非常大。以空氣而言，從1號通道到2號通道，流速下降。從2號通道到8號通道，流速總體呈現上升趨勢，上升的趨勢先減小后增大。在8號通道流速到達最大值。水與空氣的變化趨勢相似，只是在5號通道到11號通道沒有空氣變化的幅度大。圖中流速的變化明確地表明了在原始封頭結構中，中心區域的流量分配要遠遠大于兩側的流量分配，進一步說明了原始封頭結構的不合理性。

2)對同一通道而言，空氣的流速要遠遠高于水的流速。同樣的進口速度，同樣的流動特性，但在出口處有著明顯的速度差異。圖中兩相的速度差異不僅僅是因為水和空氣的速度滑移，同時是空氣相對于水更好的可壓縮性從而使空氣在受壓縮時通過通道產生較高的流速，進一步說明了兩相流的物流分配比單相流更復雜。

2.6 結果驗證

為驗證模型的正確性，本文重建了文獻[11]中的原型封頭模型，并利用本文的計算模型進行了CFD計算。通過將計算結果和文獻[11]中的實驗結果進行對比，驗證了本文所使用的計算模型的正確性。圖5是CFD計算結果和實驗值的對比情況。

圖5 計算結果與實驗結果的對比

3 改進模型的CFD模擬

3.1 封頭結構優化設計

a) 改進型封頭的S彎設計

通過對原型封頭的數值模擬，得出以下特點：1)原型封頭的結構是由一個小圓柱和一個大半圓柱相貫而成，在相貫的地方存在幾何突變，容易加劇流體的湍流和引起漩渦；2)原型封頭促使流體直接從小圓形截面進入到大矩形截面，其中不存在任何過渡，所以流場的當量直徑存在突變；3)對于原型封頭，中心流道流體的水力路徑很短，也就是封頭的軸向尺寸，即330mm，如此短的距離流體很難及時地向兩側通道分散，必然造成分配的不均勻。

通過總結原型封頭的一些特點，本文提出了改進型封頭結構。改進型封頭主要有以下結構特點：①摒棄了小圓柱入口段，采用圓面向矩形面的過渡結構，不僅有效地減少了幾何突變，而且采用過渡形式有利于引導流體向兩側流動，理論上可以減輕分配不均勻；②相對于原始封頭的瓜皮式結構，改進型封頭采用S彎形式的流道設計，其流線型的結構特點不僅可以減少流體的分離和漩渦現象，而且S彎較大程度上延長了水力路徑，使得流體能更充分的向封頭兩側發展，從而減輕分配不均勻。③在改進型封頭中，進出口結構尺寸和封頭軸向長度保持與原始封頭相同；S彎的設計依靠徑向長度的增加。

b)改進型封頭的描述

本文依據上述的設計理念提出改進型封頭，以下為詳細的描述。

封頭結構形式見圖6。在該封頭中，S彎采用圓弧加直線段的組合方式。起始段是半徑為R1=85mm的1/4圓弧，中間段是一段長為200mm的豎直直線段，結束段是半徑為R2=155mm的1/4圓弧，如圖7所示。該封頭的設計較為簡單，但是原弧段對于流體的流動有較好的引導作用。S彎的方程如下。

圖6 改進型封頭結構圖

圖7 改進型封頭軸向截面

上圓弧+直線段組合曲線：

(1)

下圓弧及直線段組合曲線是通過上圓弧及直線段組合曲線平移及旋轉得來，這里不再列方程組。

3.2 改進型封頭CFD計算

由于改進型封頭存在過渡段和S彎段，總體來說其結構是較為不規則的，所以選擇四面體網格來對流場進行離散處理。網格最大尺寸為10mm；網格數為1512380；邊界層的處理同原始封頭。整體和局部的網格示意圖見圖8。

圖8 改進型封頭網格劃分

改進型封頭的求解條件和原始封頭一致，此處不再贅述。

3.3 同工況下改進型封頭與原始封頭比較

圖9給出了在進口速度為6m/s、氣體所占體積為0.2%的條件下，原型封頭和改進型封頭的出口流量分布。

圖9 空氣速度分布

從圖9中可以看出，原型封頭出口流速分布極不均勻，中部出口流速高達11m/s，兩側最低達到7.5 m/s，整體波動極大。改進型封頭在改善物流分配均勻性方面起到了明顯的作用，在圖中曲線，波動明顯減少許多，各個通道流速基本穩定在8.2 m/s。如采用15個通道速度的總體標準差與它們平均流速的比值(定義為相對不均勻度)來表征物料分配不均勻性，則改進型封頭對空氣的分配相對不均勻度降低了88.66%，這表明改進型封頭確實要優于原型封頭。

圖10顯示原型封頭和改進型封頭水的出口速度分布。相比于空氣的速度分布，水的速度波動為4.5～6.75 m/s，整體在中部流動均勻，但兩側通道流速落差極大。改進型封頭速度穩定在4.75 m/s，對各個通道都有著很好的物流分配。定量來看，改進型封頭對水的分配相對不均勻度降低了90.82%。但同時改進型封頭也有一定的缺點：在一定程度上減少了出口水動能，由于彎道阻力損失，水出口平均速度比原型封頭出口平均速度較低。

圖10 水速度分布

4 結語

本文通過對板翅式換熱器原始封頭內部流場進行CFD計算和分析，發現物料在其出口處的流速分布極不均勻，因此采用過渡段與S彎設計對原型封頭進行了結構優化，并對改進型封頭再次進行CFD計算。計算結果表明：改進型封頭對空氣的分配相對不均勻度降低了88.66%，改進型封頭對水的分配相對不均勻度降低了90.82%。因此改進型封頭可顯著改善物料的出口分配不均勻度。