板式换热器板片的流动特性及热固耦合分析

摘要

换热器装置是工业传热中应用广泛的设备。本论文主要研究的是人字形波纹板板式换热器，流体介质在波纹板间的传热机理和流动特性是评价板式换热器性能的重要指标，我们有必要对二者进行深入的研究。但是板片间网状流道内介质的相关特性十分复杂，仅依靠实验方法无法清晰认识其内部的流动及换热特性。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术及相应软件的日趋成熟、完善，换热器流体仿真计算具备了有效解决途径。但目前国内有关换热器板片通道内流体特性数值计算的研究还非常有限，原因之一就是换热器板片三维模型的开发难度较大，而换热器板片三维造型对换热器仿真分析、设计和开发又有重要意义。
　　针对上述问题，参照厂家提供的国外先进换热器板片，文中完成了换热器板片的整体三维模型重构设计，并对建模质量做出实验检侧和系统评价，最后实现了换热器板片关键区域内的流体仿真计算。具体研究内容如下。
　　1.采用3D SCANNER扫描仪获取换热器板片的点云数据，参考逆向工程的思想方法，按照换热器板片不同功能区分割点云，依照分割后的点云数据在造型软件中完成三维造型，生成完整的换热器板片三维模型。
　　2.搭建实验平台，采用测量精度较高的三坐标测量机系统对换热器板片建模质量进行评价。通过将测量尺寸与建模尺寸相比较的方式给出建模数据、测量数据，并计算出误差数值和误差占比，对建模尺寸和测量尺寸误差较大处做修正处理，使得板片的平面度误差控制在0.1 mm内。
　　3.首先选定换热区，建立了最佳波纹倾角流道简化模型，β为60o。用低雷诺数（Re）数k-ε模型进行水流体介质流动和换热特性的仿真计算，得到了Re和Nu的变化曲线。其次研究了导流区流道内的流体特性，结果表明：导流区压力场、流速场、温度场分布比较均匀。最后分析了换热区冷、热流体和板片间的耦合特性，分析发现：热流体温度分布主要集中在335 K~353 K，而冷流体的温度分布主要集中在300 K~320 K。
　　本文首次利用三座标测量与数值构造对比分析的方法，确定了人字形波纹板的具体结构及三维模型。并分析了换热性能，对厂家生产有指导意义。