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CFD在换热器局部结构优化设计的应用

2009年08月13 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要：本文利用CFD模拟手段对电加热水箱换热器流动传热特性进行三维数值计算，通过对流场和温度场的分析，改进原设计中不利于热量传递的结构特征。在保证水箱基本结构尺寸不变的前提下，对箱体内两块折流板的位置及其几何形状进行多种结构模型的数值模拟和比较分析，实现了基于CFD数值模拟结果进行换热器局部结构优化设计的工程应用。

O 背景

工程上换热器的设计通常根据设备换热量要求及环境条件的限制，通过简单热平衡计算结合工程经验完成传热部件的结构设计，这种手段很难实现对具体结构的优化设计[1]。基于真实三维几何模型和基本控制方程的CFD数值模拟技术目前更多地被用于这类产品性能的验证和故障诊断分析中[2]。随着计算机计算能力的迅速提高，数值分析技术的完善(尤其是并行计算能力的发展)，设计人员对CFD 技术的掌握和使用经验的成熟，CFD模拟也逐渐被应用于产品设计阶段。

本文研究的电加热水箱由于受工程要求的限制，需在保证加热方式及外形结构不变的情况下，通过改变内部局部结构进行精细化传热结构设计，目标使加热元件表面不产生局部高温或局部汽化而引起加热棒局部烧蚀，流体沿程均匀加热，且出日流体温度均匀。

1.模型简介

换热器采用卧式圆筒形结构，内径为700mm，容积约为0.8m3。工作介质为水，循环水入口位于换热器顶部，管直径为114mm;出日位于换热器底部，管直径为14mm，循环流量65m3/h。采用电加热，最大功率400kw，其内布置有20根高性能电加热棒，单根电加热棒功率20kw。介质入口温度60℃，工作压力0.6Mpa。

根据初始设计建立换热器模型，如图1所示。模型由入口端、出口端、筒体、加热棒组和折流板五部分组成。入日端、出口端为循环水的进出通道，循环水进入筒体以后与加热棒组进行热交换，折流板用来支撑加热棒，同时改善流体流态。

2.数值分析方法

要保证对CFD模拟结果进行对比分析的可靠性，首先应使各模型计算在相同的数学模型，收敛控制参数，边界条件和物性参数下进行，其次还应保证各计算模型网格的一致性，虽然几何结构的改变使模型网格数量上将产生差异，但应保证模型的基本网格尺度和网格分布特征的一致性。

本文计算相关设置如下:

数学模型:稳态，单相，SST紊流模型，考虑热浮力作用。

收敛控制参数:高阶差分精度，残差10-4。边界条件:入口为质量流量，温度60℃，出口相对静压0Pa，加热棒表面均匀热流。物性参数:0.6MPa下60℃不饱和水的常物性。

网格:采用非结构化网格。在ICEMCFD中采用相同的体网格单元尺度，表面网格采用曲率控制，取相同的自适应角度、最小、最大网格尺度等控制参数。所有壁面加三层的附面层网格(五面体网格)，附面层网格总厚度10mm。调整网格控制参数使网格整体均匀分布，并对所有分析模型应用相同的控制参数，各模型网格单元数量约三百万。

用CFX进行求解，在曙光机上8个CPU并行计算，每个工况计算至收敛约2h。

3 结构优化分析

3.1初始模型结果分析

为了方便讨论，根据原始模型定义流体区域:折流板一以前为入口区域，折流板二以后为出口区域，两折流板间为中间区域，见图2所示。

图3中，入口区域的流体流动方向大部分垂直干加热棒轴向方向。中间区域则大部分平行于加热棒轴向方向，流速较入口区低。出口区域流体形成涡旋运动。

图4中，入口区域流体等温线分布较中间区域均匀，温度梯度小。中间区域，由于流体的流动方向和流速均不利干对流换热，所以等温线基本上集中在棒体附近极小的区域内，温度梯度大，容易造成加热棒局部高温。出口区域流体涡旋运动有利于换热，温度梯度相对较小[4]。

3.2模型结构优化

3.2.1优化模型1图5是重新设计过折流板的优化模型1。在原来折流板的加热棒通过孔边缘开四个半径7mm的半圆孔，形成梅花瓣结构。流体可以通过新开的半圆孔通过折流板，影响板后流体。

图6中，入LI区域下部有流体通过折流板从中间区域流回。中间区域中，由于流体流过折流板一与中间区域流体发生掺混，中间区域的流体流动方向有很大改变，与加热棒轴线呈一定角度，但是由于半圆孔较小，对整个区域流速的影响不大。出口区域涡旋下移。

图7中，中间区域中部流体温度梯度减小。出口管温度分布更加均匀。

3.2.2优化模型2优化模型2中，原先呈半圆封闭的折流板改为中间局部封闭，板上开大孔，将两折流板位置分别向入口端和出口端移动，将加热棒的主要工作部分置于其中，如图8所示。

图9中，入口区域中，从中间区域的返回流体增多。中间区域上部出现涡旋，平行棒流体流速提高。出口区域涡旋上移。