管壳式换热器性能模拟与翅片强化传热仿真研究

摘要

节能减排已成为能源装备的重要发展方向。换热器的强化传热和能效提升一直是相关行业与学术界努力的目标。
　　 本文旨在利用CFD方法对换热器内的流动与传热进行数值模拟探索。
　　 首先介绍了换热器的基本分类以及管壳式换热器的特征和基本优势，然后在计算流体力学理论和对流传热优化的“场协同理论”指导下，对换热器的流体流动与共轭传热性能进行数值模拟。通过三维工程设计软件Pro/Engineer建立了滑油冷却器包括壳程流体和管程流体在内的整体装配模型，在ANSYS Workbench协同仿真平台下划分有限元计算网格，加载相关边界条件(温度、压力等)，利用Fluent软件求解，得到其操作工况下壳程与管程内压力场、流速场和温度场分布等细节信息。同时鉴于折流板结构对流动及换热效果的影响，对比包括单弓加强形、双弓形、三弓形、螺旋折流板形、圆盘.圆环形等不同形式换热器的流体的流动状态、对流换热效果及压降情况。其中，将单弓形折流板间额外增加折流挡板，换热性能强化而流场压降增大；螺旋折流板改善了流动均匀性，流动死区减少，压降和阻力更低，但折流板入口和出口处流动阻力较大应加以改善；双弓形、三弓形折流板内的流动呈现上下多股流的形式，换热效果较单弓形低，压降阻力也减小；圆盘-圆环形折流板换热器壳程流动呈现了轴心对称性，流动死区较多，虽然流动阻力较小，但换热效果较差。
　　 翅片属于空气冷却器中主要换热元件，是扩展表面强化传热在换热器上的重要应用。对空冷器翅片强化传热模型分析，结果显示，翅片开缝可以强化传热；沿气体流动方向，翅片对应换热管上游区域流动旺盛，换热效果好，下游换热管背风面形成一低速的尾涡区，流动和换热效果较差；随气体流速增大，换热效果与压降都有增大的趋势，压降增速越来越大，换热效果的增大则是渐趋平坦；采用大热导率的翅片材料可以强化换热；同时对比15种不同形式的开缝布置情况和相应换热效果，总结了较高的换热性能翅片布局原则，如：同等条件下，矩形条缝型换热效果优于圆环扇面型；矩形和梯形开缝优于弧形开缝；翅片开缝布置并非越复杂越好，也并非密度越高越好，要结合整体考虑合理布局；开缝布局采用前疏后密、尽可能双面布置，可以获得更佳的换热效果。仿真为翅片结构优化提供参考依据，体现了数值模拟计算的工程应用价值。