基于FLUENT的某型号板翅式换热器的性能数值模拟及其结构优化

摘要

工业社会的发展，离不开能源储备的有力支撑。积极研发新的节能减排技术、提高能源的使用效率是缓解能源危机的有力措施之一。提高换热器的换热效率、改善流道内流体的流动情况一直是相关行业和科研人员努力的方向。本文采用FLUENT软件对锯齿形板翅式换热器流道内流体的流动特性和传热特性进行三维数值模拟，通过对油侧模型进行结构优化和对空气侧模型翅片四个基本结构参数进行对比仿真，探索分程封条表面形状和翅片基本结构参数对流体流动特性和传热特性的影响规律。本文的主要工作如下:
　　 第一:对本文的研究对象锯齿形板翅式换热器进行详细的分析说明。为了后续章节数值模拟仿真的进行，对流体力学相关基本概念和FLUENT软件做了简单的介绍。
　　 第二:根据研究对象的特点，选定方案②为本文数值模拟的计算区域。在对油侧模型做合理简化处理的基础上，利用FLUENT软件对油侧模型进行三维数值模拟。在对油侧模型温度场、压力场、速度场和速度矢量图进行详细分析的基础上，提出7组结构优化设计思路。研究结果表明，将油侧顶端区域由直角过渡改为圆角过渡，能在一定程度上提高流体与固体壁面间的换热效果;对分程封条表面形状进行改进，能较大程度的提高流体的湍流程度，改善流体流过分程封条表面的流动情况，但是换热效果的提高是以牺牲压降的代价得到的;分程封条表面凸起结构或波节单元的引入都能一定程度的提高流体与固体壁面间的换热效果，且分程封条表面凸起由内凹改为外凸，可以一定程度上减弱流体流经分程封条表面时的漩涡流趋势。
　　 第三:在对空气侧模型做合理简化处理的基础上，利用FLUENT软件对空气侧模型进行三维数值模拟，通过对仿真结果进行详细分析说明，从而研究锯齿形错位板翅式换热器翅片的强化传热原理。分四个系列研究翅片基本结构参数翅高、翅厚、翅片错齿距和翅宽等对空气流动特性和传热特性的影响。本文研究发现，在所研究的翅片结构参数范围内，随着翅片高度的增高，单层换热量随之增大，同时压降相应的减小。在翅高较小时，压降随着翅高变化较为明显，当翅高到一定程度以后，压降随着翅高变化较为缓慢。随着翅片高度的增加，表面换热系数和表面平均Nu逐渐增大，翅片的换热能力变强;随着翅片厚度的增加，翅片的单层换热量有一定程度的增加，同时伴随有压降的大幅度升高;随着错齿距的增加，翅片对流体的扰动作用增大，从而对边界层的影响变大，提高换热器的换热效果。相较于平直翅片，锯齿形错位翅片对增加流体扰动，破坏流体边界层具有较好的效果;当翅片宽度减小时，在流体Re不变的情况下，流体会更快的流过单个翅片，从而可以更好利用边界层的起始段效应，从而提高翅片的换热性能。翅片宽度越大，翅片上边界层发展的越厚，热阻增大，从而使得表面换热系数降低。但是翅片宽度并不是越小越好，当翅片宽度过小时，翅片对流体起不到扰动作用，不利于翅片换热性能的提高。翅片宽度越短，流体阻力越大。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 板翅式换热器的发展状况及研究趋势

1．2．1 国外板翅式换热器的发展状况

1．2．2 国内板翅式换热器的发展状况

1．2．3 板翅式换热器的研究趋势

1．3 板翅式换热器的构造、类型及特点

1．3．1 扳翅式换热器的翅片结构特点及流道形式介绍

1．3．2 板翅式换热器的隔板和封条

1．3．3 板翅式换热器的导流片

1．3．4 板翅式换热器的特点

1．4 课题来源及本文的主要工作

1．4．1 课题来源

1．4．2 本文的主要工作

第2章 流体力学基础和数值模拟简介

2．1 流体力学基础

2．1．1 流体的基本性质

2．1．2 流体运动的基本概念

2．1．3 流体流动及换热的基本控制方程

2．2 数值模拟简介

2．2．1 CFD软件概述

2．2．2 FLUENT简介

2．3 本章小结

第3章 锯齿形板翅式换热器油侧数值模拟

3．1 引言

3．2 锯齿形板翅式换热器油侧数值模拟

3．2．1 计算区域的确定

3．2．2 模型几何尺寸和主要物性参数

3．2．3 问题的简化与假设

3．2．4 网格独立性与网格划分

3．2．5 FLUENT边界条件与求解设置

3．2．6 FLUENT仿真结果与分析

3．2．7 基于FLUENT的结构优化设计

3．3 本章小结

第4章 锯齿形板翅式换热器空气侧数值模拟

4．1 仿真模型的确定

4．1．1 锯齿形板翅式换热器空气侧翅片结构及几何参数

4．1．2 问题的简化与假设

4．1．3 空气侧模型网格的划分

4．2 FLUENT相关设置

4．2．1 FLUENT边界条件设置

4．2．2 FLUENT求解设置

4．3 FLUENT仿真结果与分析

4．4 结构参数对流体流动特性与传热特性的对比仿真和相关分析说明

4．4．1 翅片高度对流体流动特性与传热特性的对比仿真和相关分析说明

4．4．2 翅片厚度对流体流动特性与传热特性的对比仿真和相关分析说明

4．4．3 翅片错齿距对流体流动特性与传热特性的对比仿真和相关分析说明

4．4．4 翅片翅宽对流体流动特性与传热特性的对比仿真和相关分析说明

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 全文工作总结

5．2 前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目