板翅式换热器及FLUENT软件的初步认识

1、前期报告1.选题的目的和意义：板翅式换热器由于其体积小、重量轻、效率高、结构紧凑等优点， 在石油化工、航空航天、电子、原子能、机械和空调等领域得到了越 来越广泛的应用。波纹翅片作为板翅式热交换器的一种常见翅片类 型，研究其传热和流动特性对板翅式热交换器的设计具有指导作用， 也对以后的工程计算有很大的帮助作用。2.传热，流动及防结垢研究关于传热，流动及防结垢的研究涉及范围宽广的许多问题。其最 终目的有二：一是强化传热并尽量减少流动阻力，二是为更精确的设 计计算提供理论基础和方法.强化传热同时避免过大的流动阻力的主 要途径有两个方面，一方面开发出新的更高效的传热表面，另一方面 更合理地选择有关参数

2、和更合理地设计流体分配结构，使流动在流道 中得以更均匀地分配。1. 2板翅换热器翅片的类型、特点及应用场合1. 2. 1翅片类型板翅换热器的传热面由平板和翅片表面组成，平板部分的传热面 叫一次传热面，由翅片组成的叫二次传热面。二次传热面积占总传热 面积的绝大部分，一般达7090%。平直翅片：它是最基本的一种翅片，由金属薄片制成的一种 最简单的翅片形式。其特点是有很长的带光滑壁的长方形翅片，其传 热特性和流体流动特性与流体在长的圆形管道中的传热和流动特性相似。翅片的主要作用是扩大传热面，而对于促进流体湍动的作用很 小，但流道长度对传热效果有明显的影响。锯齿形翅片：结构特点是流体的流道被冲制成凹凸

3、不平，其 目的是增加流体湍动程度，并破坏传热边界层，从而强化传热过程使 传热效率提高。多孔翅片：它是在平直翅片上冲出许多孔洞而成的.由于翅 片上这些孔使传热边界层不断被破坏，不仅能提前向湍流过渡，而且 能明显地增强过渡区和湍流区的传热，但在高雷诺数范围会出现噪音 和振动.波纹翅片：肋片纵向里波纹(或人字)状，可使流体的流向不 断改变以促进湍流形成，弯曲处边界层可有微小破裂.流体在通道中 流动时，由于不断改变流向而产生二次流及边界层分离而使传热效果 得以增强。波纹越密，波幅越大，其增强效果也越大。错位翅片：在沿流体流动方向看是间断的而且是错位排列的。 从传热和流动的角度来看，可以认为是由一系列相

4、错排列的短的平直 翅片组成的。传热系数高的主要原因是因为流体在流动中，其边界层 在一个翅片段上还未及充分发展就被下一个错位的翅片段破坏了.从 2整个流道长度来看，可以认为传热和流动都始终处于发展段.百叶窗式翅片：其特点是翅片上冲有等距离的百叶窗式的栅 格，向流道内凸出，其目的是破坏熟边界层，从而强化传热过程.在 翅片尺寸相同条件下，栅格愈多传热效果愈好，但阻力亦愈大。2. 2板翅换热器的优缺点优点：(1)传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂， 因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性， 所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。紧凑，由于板翅式换热器具有扩展的二次

5、表面，使得它的比表 面积可达到1000W/m3。轻巧，原因为紧凑且多为铝合金制造，现在钢制，铜制，复合 材料等的也已经批量生产。适应性强，板翅式换热器可适用于：气一气、气一液、液一液、 各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置 和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。 通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。 工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。 缺点：(1)制造工艺要求严格，工艺过程复杂。容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质 干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。1.2.3板

6、翅换热器应用的场合板翅换热器在工业上的主要用途如下：(1)空气分离装置中的可逆式换热器，冷凝蒸发器、液化器、液氮和 液态空气过冷器，采用铝制板翅式换热器以后，节省了大量的钢及其 它低温材料.(2)在石油化工上，随着生产工艺的不断改进，它在天然气的液化、 分离装置以及合成氨工业中逐步地获得应用。动力机械上板翅式换热器有内燃机车散热器，汽车散热器、挖掘 机循环油冷却器和压缩机空冷器、油冷器等。原子能和国防工业.原子能工业中采用了板翅式氢液化器和氦液 化器，这是板翅式换热器在超低温条件下应用的例子。而燃气轮 机回热器所采用的板翅式换热器，则是在较高温度下使用板翅换热器 的例子.1.3波纹翅片传热机理

7、平直翅片的流道是一个连续流道，气喘热性能和流体流动特性与 流体在圆管内的传热与流动特性相似。翅片出了增大传热面积和支撑 作用外，对于促进湍流的意义不大。而波纹翅片是将平直翅片压制成 一定的波形，当流体流过波形表面的凹面时会形成漩涡。这种涡旋称 为Goertler漩涡。当流体流过凹进说我波纹型表面时这些漩涡成反向 旋转，产生一种类似螺旋形流动的流型。此外，在下游壁面的图面会 形成局部的流体脱离现象。这些现象会使传热得到强化。1.4板翅换热器的热力计算板翅换热器属于问壁式换热器，从传热机理来说，它的主要特点 是具有扩展的二次传热面，所以传热过程不仅在一次传热面进行而且 也同时在二次传热面进行。通过

8、一次表面的换热量用1表示，通过 二次传热表面的换热量用。2表示，隔板壁面温度用腿表示，流体温 度为T，翅片的高度为L，通过一次传热面的热量Ql可以用下式表 示：Q1=a F1(Tw-T)式中a壁面与流体间的换热系数；通过二次换热表面的热量为Q2=a F2(Tw-T)式中a 翅片表面与流体间的换 热系数，F2-二次表面换热面积，Tw翅片表面的平均温度。换热设备工作时，其传热过程彳主彳主是由导热、对流和辐射三种基 本传热方式中的两种或三种同时作用的结果，传热学称之为复合传热 过程，板翅换热器的工作就是一种典型的复合传热过程.通过提高换热系数a，增大传热面积F1，都可以增大散热量Q。当基板宽度一定时

9、，假定传热温差(Tw-Tf)和换热系数a不变，只有 增大传热面积才能增加散热量。增加肋片的数量就可以增加传热面 积，但是肋片的数量增加之后，肋间距必然减少，传热系数就会降低.提高翅片的高度也可以增加传热面积，但是增加高度会使翅片 顶部的局部换热系数降低，导致平均换热系数降低。此外高度也会影 响从翅片基部到端部的温度差，高度越大，温差也越大，导致翅片表 面与周围换热介质的平均温度差就随之降低，不利于换热。翅片越薄，单位长度上翅片的数量就会越多，从而增大换热面积， 强化翅片的换热，翅片厚度增加，翅片表面和周围空气的平均换热温 度差就会降低，不利于换热.但是，实际应用中翅片的厚度彳主彳主受到 工艺水

10、平的限制。1. 5研究现状1. 5. 1国内研究情况：一、数值模拟：国内的数值研究主要集中在三个方面：1 .几何参数对传热及阻 力的影响；2.雷诺数对传热及阻力的影响；3.翅片排列形式对换热及阻力的影响.1 .几何参数对传热及阻力的影响王武林，魏琪采用simple算法对错列平直翅片进行数值模拟。将 物理模型简化为二维模型，得出了翅片厚度、长度以及翅片排数对 换热的影响。数值模拟结果表明，不同的流动状态下，翅片厚度对翅 片表面的换热及流动的影响也不同。在层流非稳定工况下翅片厚度的 增加有利于增强传热效果，同时流动阻力增大，但增大的幅度小于湍 流情况下翅片厚度增加的情况。湍流状态下，翅片厚度的增加

11、可使翅 片的换热系数明显提高。同时也增大了流动阻力。流体的扰动与翅片 的交错长度密切相关，加大翅片长度，翅片上边界层发展的较厚，其 换热系数低于短翅片的换热系数。但是如果翅片长度过小，则不利于 提高其换热性能且，流动阻力增大。前几排翅片换热系数较低，后面 翅片的换热系数越来越大，若干排之后翅片的换热系数趋于常数.邢华伟，邓先和等提出了一种用于硫酸行业的板翅紧凑型转化 器，通过实验对采用不同翅高时流动的传热与流阻性能进行了研 究.结果表明，随着流道内翅片高度的增大，传热膜系数随之增大但 流阻曲线则呈凹型变化，即在中间高度时流阻达到一最小值.同时利 用数值模拟对流道内流动特性进行了理论分析。宿国光

12、“盯对逆流式、高紧凑度、交错翅片的板翅式换热器的流 动及传热进行了三维数值模拟研究。文中建立了交错翅片及隔板构成 的换热器真实流道为基础的数学模型，分别计算求解了不充分发展区 及充分发展区内的周期性流动特性及传热分布。对所研究的换热器。 文中进行了”整机”数值模拟，分别计算了翅片几何参数、隔板厚度 以及流量分配不均匀性等对换熟器性能的影响。文中提出，在低雷诺 数下，流动边界层阶跃式周期性地发展是交错翅片板翅式换热器强化 传热的主要机理。该文的研究，不仅有益于数值模拟方法的发展，而 且有助于高性能换热器的开发及设计.2.雷诺数1对传热及阻力的影响庞铭，陈保东，丁文斌对逆流式错位翅片换热器进行了数

13、值模拟， 结果表明当Re10000时，错位翅片的传热因子、摩擦因子都比平直翅 片平均约高2倍，当Re增大时，错位翅片与平直翅片的传热因子和摩 擦因子都减小，当Re增大到一定值时二者的传热和摩擦因子分别几乎 相等。错位翅片的传热能力随翅片的有效长度、高度、间距的增加而 减小，随翅片的厚度的增加而变大.侯海焱在前人实验和理论研究的基础上，利用高雷诺数& e湍流 模型，对中高雷诺数时，紧凑式错列翅片换热器表面湍流流动及换热 的性能进行了数值模拟和理论分析。模型中考虑二维定常的流动与换 热。模拟所得结果与实验数据以及关联式进行比较，吻合情况较好.因 此，该模型是较为可靠的。3 .翅片排列形式对换热及阻

14、力的影响张战在前人实验和理论研究的基础上，对错列翅片紧凑式换热 器内部流动及换热进行了数值研究.在稳定层流及非稳定层流工况 下，运用SIMPLE算法对不同数目，不同排列方式翅片的换热及阻力特 性进行数值模拟和理论分析。将计算结果与文献中的可视化实验图 形、数据及经验关联式相比较，吻合较好，说明此模型和算法是可行 的.将数值计算的结果经过后处理，描绘出不同工况下的速度、压力、 温度分布图.对不同翅片数、不同排列方式对翅片换热及阻力的影响 进行了分析，进一步阐明了错列翅片换热器换热及内部流动的内在机 理，加深了对此紧凑式换热器工作过程的理解，对此类换热器的优化 设计也具有指导意义。二，实验研究：通

15、过实验针对板翅换热器的研究主要集中在换热系数、阻力系数 以及一些换热准则式的测量。首先看一下换热系数及阻力系数的研究现状：王杨君，邓先和等分析了裂齿矩形翅片的传热效率，并以单位质 量材耗的换热能力最大为目标函数，分析在不同Re下裂齿矩形翅片间 角度，翅片厚、长度、宽度及板厚之间的关系。结果表明在气体换热 场合下，当Re在某一范围时翅片可有效地起到强化传热的作用。当板 厚为5mm，翅片厚度为3mm，翅片间夹角为45。-70。，Re为2*1038*103， 最佳翅片纵向问距与翅片长度和翅片厚度乘积的平方根的比为.5 2. 5，最佳翅片尺寸系数为35时，传热强化效果最好.张后雷，宣益民采用红外热像技

16、术在稳态条件下分别测量了波纹 和波纹打孔板翅表面的对流换热系数，得到了换热无量纲准则式.对 两种板翅表面的传热与阻力特性进行了比较分析。结果表明在 Re=10003000的大部分范围内，波纹打孔型表面比波纹型表面的换 热系数高5%25%，在Re2000的范围内，波纹打孔流道的阻力略小于波纹流道或基本相当。接着我们看一下准则关系式的研究现状:张小松，赵开涛等通过对自行设计的水一空气板翅式换热器进行 的用作表面式空气加热器与表面式空气冷却器的试验，得到了一系列 的传热与阻力特性的数据，在此基础上获得了空气侧对流换热系数与 摩擦系数的准则关系式。说明将铝制板翅式换热器用于空调制冷系统 具有明显优越性

17、。张力，王敬对锯齿翅片的切口错开位置（或称错开度）”这一几 何参数对热力特性影响进行了探讨。锯齿翅片切1： 3通常错开在 1 / 2节距位置上，本文针对错开位置分别在/ 4、1 / 3、1 / 2及1（即 无错开的平直翅片）的四种情况，按2组不同高度，设计并焊接成3种 试验件，应用瞬态法对其进行实验研究得出每种翅片的传热特性准则 关系式，及在2种不同高度下，不同错开位置对热力特性的影响关系.最后看一下不同翅片形式对换热效果的影响研究现状：余敏，李美玲等通过综合分析电站汽轮发电机冷却系统用空冷替 代水冷的可行性、实用性，提出了板翅式换热器是一种可用于汽轮发 电机散热的新颖冷却器。以300MW电站

18、汽轮发电机冷却器为对象。设 计了板翅式空-空冷却器，并研制小样，试验验证.研究结果为开发 新产品提供了可靠依据。还对平直形.锯齿形、百叶窗形，根据其各 自的特点并结合设计实例进行了计算和分析比较得出选用锯齿形翅 片作为电站汽轮发电机板翅式空.空冷却器换热面。采用单叠布置逆 流形式。徐之平，徐敏主要通过对多孔直翅型翅片和锯齿翅片的热性 能实验得出翅片形状、流阻、油流量及散热量四者之间的关系。针对 应用环境选择多孔翅片可以减小管内油的流动阻力、还可减小油泵的 扬程和输入功率，同时也减轻了轿车的自载重量。骆仲泱，殷春根等对三种不同形式的翅片进行实验，得出不 同形式的翅片对换热性能和流动性能的影响规律

19、.多孔翅片或者锯齿 形排列翅片要比光直翅片强化换热更有效.在Re较低时，前两者的 相对强化作用更明显些，而且锯齿形排列翅片要比多孔翅片更为有 效.在日。较高时，前两者的相对强化作用有所减弱，而且此时以多 孔翅片的强化作用为最佳。1. 5. 2国外研究状况板翅式换热器中的传热过程主要是通过翅片来组成的。美国斯坦 福大学的Ka和London等人对紧凑表面进行了较系统的实验研究。总结 出40多种翅片形状的板翅式换热器传热和阻力关联式。S. Y. Kim等 通过试验研究了板翅换热器中多孔翅片对压降和换热特征的影响上匕 较了百叶窗翅片和带孔的百叶窗翅片。给出了设计带孔的板翅换热器 时有效的摩擦因子和修正

20、的j因子关联式。J. Wanga等在平板上焊上 长方形条状翅片，翅片被焊接的同时通过高温将玻璃和金属融合为其 表面，添加玻璃的好处是可以在换热器表面形成保护模膜防止表面被 腐蚀；测量结果表明换热系数和压降随着换热面积与体积之比翅片 密度）的增加而增加；苛尔伯恩因子，摩擦因子与之相对的雷诺数都 有说明。M. L. Smotrys等f201采用顺翅片方向的和流动方向的涡流 可以强化HVAC&R备空气侧的换热。沿翅片方向的涡流可以用偏移的 条装翅片列实现，沿流动方向的涡流可以用三角形翅片来产生。用蔡 升华的方法得到的质量传递测量基本排列和优化后的换热特征。此外Duckjong Kim等基于控制容积法

21、提出了一种新型紧凑换热 器模型。通过实验测试了 101. 43 mmXl01. 43 mm的20种铝钉状散热 器入口速度由1 m/s到5m/s。由多孔介质方法得到的散热器的压降 及换热特征系数与实验数据做比较。比较结果表明，多孔介质方法可 以很精确的预测钉状散热器的压降和换热特性。最后，对于小热阻， 得出了在一定泵功和散热器尺寸一定的情况下的钉状散热器的最优 表面设计方法。在相同的泵功和散热器尺寸时，优化后的钉状散热器 要比优化后的平直翅片散热器的散热能力高出5 %.A.G AgwuNnanna等提出了一个适应性更强的关联式，该关联式考 虑了由于换热系数的变化，翅片形式以及表面曲率引起的扩展表

22、面的 热损失。给出了典型翅片的这些参数对翅片效率的影响。总之，可供使用的多种翅形J因子和f因子数据已有不少，但可供 设计计算使用的拟合关联式却很有限.因此，应用计算流体力学 (Computational fluid dynamics,简称C F D)，流动可视化技术和 模拟测试来研究翅片流动和传热的本质，并建立因子和f因子数据库 将是今后十分重要的工作。数值模型的建立与计算方法2.1概述实验是实际现象中关键过程的合理再现和深化，是研究机理和规律的主要手段，但数值模拟以计算机为基础把基本理论，模拟试验和 装置设计有机结合起来，从其研究的物理和几何参数可变的范围和方 便程度以及节省费用、研究周期来

23、看，更有助于对客观规律的深化， 在工程设计中有着积极的作用。板翅换热器的传热在达到稳定后实际上可以看作是稳态导热强 制对流换热与辐射换热的耦合闻题.本文模拟的是三维复杂通道内的 换热与流动，其“复杂”性主要由以下几方面引起：(1)热边界条件 是复杂的，翅片与空气的交界处导热与对流换热耦合；(2)换热系统 的几何形状是复杂的，倾斜波纹翅片形成的通道截面是复杂的，同时、 由于翅片的间断又引起流体的混和与再次分流；(3)换热方式是复杂 的，导热与辐射同时存在，辐射与对流同时存在，但本次研究对象的 温度为323. 15k，可以忽略辐射换热.对复杂换热问题进行数值计算求解的方法主要有有限差分法有 限差分

24、法求解耦合问题有两种主要的方法，即分区求解边界耦合方法 及整体求解法.这里我们采用了整体求解法，所谓整体求解法，即把 不同区域中(如；固体和流体)的过程组合起来，作为一个统一的换 热过程进行求解。为此，需要找到适合于不同区域的通用控制方程。 这样不同物质区域耦合界面处于求解区域的内部，采用控制容积法来 建立离散方程时，界面上的连续性条件一定满足.整体求解法的优点 在于省去了不同区域之间的反复迭代，使计算时间大大缩短.但是， 若要得到正确的解，则必须保证在求解过程中，耦合界面上两种不同 物质的温度及热流连续的条件得到满足.迄今为止，已有不少成功运用整体求解法对耦合换热问题进行数 值计算的例子.在

25、此基础上，本文应用FLUENT对倾斜波纹板板翅换热 器翅片的稳态导热与强制对流换热的耦合传热问题进行了数值计算， 研究了网格的划分及几何条件对温度场和速度场的影响规律.得到强 制对流下研究对象周围的温度场及速度场，从而分析比较了各种不同 结构的翅片的传热性能。FLUENT简介及应用2.2.1FLUENT 简介FLUENTInc.是1983年推出的基于有限容积法的计算软件。该软 件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分与结构 化网格和分块结构网格相比，非结构化网格则便于计算流场参数变化 剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也更便于网格的细化和租 化，使得网格划分更加灵活简单.湍流出

26、现在速度变动的地方.这种波动使得流体介质之问相互交 换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动、1由于这种波动 是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中直接模拟的话对计算 机要求会很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的， 或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机内 存。FLUENT程序可以求解的问题FLUENT可以求解计算二维和三维问题，在计算过程中，网格可以自 适应调整。fluent软件的应用范围非常广泛，主要范围如下：用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格；不可压或可压流动；定常状态或者过渡分析；无粘，层流和湍流；牛顿流或者非牛顿流；对流热传导，包括自然对流和强迫对流；耦合热传导和对流；辐射热传导模型；惯性(静止)坐标系非惯性(旋转)坐标系模型；多重运动参考框架，包括滑动网格界面和ro