板翅式换热器入口结构内流场的数值模拟
责任编辑：chineselng 浏览：2158次 时间： 2008-04-05 18:36:20
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摘要:板翅式换热器入口结构内流场的数值模拟文键厉彦忠周爱民张科(西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049)摘要：利用PIV粒子图像测速仪和CFD数值模拟的方法，对板翅式换热器入口结构改进前后的流场进行实验测量和数值计算．获得入口结构内部不同剖面处的流场分布..
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板翅式换热器入口结构内流场的数值模拟 文键 厉彦忠 周爱民 张科 (西安交通大学能源与动力工程学院 陕西 西安 710049) 摘要：利用PIV粒子图像测速仪和CFD数值模拟的方法，对板翅式换热器入口结构改进前后的流场进行实验测量和数值计算．获得入口结构内部不同剖面处的流场分布图，发现了流场的流动与分布规律．由于原始入口结构的不合理导致漩涡、回流等现象存在，使得其内部轴向以及径向的物流分配极不均匀．而对于在入口结构1／2高度处添加开孔分流板的改进型结构，不仅在换热器入口结构长度方向( 方向)上，而且在所测截面的Y方向，物流分配的均匀性有了很大改善，流场分布更加合理．而且，实验结果和数值模拟结果相符合． 关键词：板翅式换热器；粒子图像测速；数值模拟；结构优化 中图分类号：TK124 文献标识码：A 文章编号：1671—4512(2006)07—0005—04 1.实验系统 板翅式换热器封头结构实验系统由风路系统和PIV系统所组成，如图1所示．在风路系统中，采用风机上游供气，由孔板流量计测量供气的流量．孔板上下游各有一段等径直管作为稳定段，不仅利于管道内流量的测量，而且可以使得封头入口截面的速度场尽量变得均匀．为了保证示踪粒子在气流中均匀分布，应尽量减少其对原始流场的干扰．实验中在距离测试区域较远的上游—— 风机人口处加入示踪粒子，使烟雾和气流一同进入管道．本实验采用美国TSI公司生产的二维PIV测试系统，其组成有激光光源(集成式Nd YAG双激光器)、激光传输光臂(臂长1．8 nl，激光头包含柱面镜和球面镜)、图像采集器(630046型PIVCAM10 30摄像机)、同步控制仪和图像数据分析系统(PIV系统的控制和数据分析软件)等几部分．PIV 系统使用了跨帧技术，它可使采集一对图像之间的时间间隔在1s以内，使PIV获得的瞬态流动的速度矢量场．通过批处理操作，快捷地得到流动的瞬时速度矢量场、涡量场等参数分布．  1．1 实验模型的制作 实验中所用的试件模型均采用有机玻璃按照与原型1：1的比例制作，保证该模型能够尽可能精确地反映原型的性能．由文献[2]可知，在原始封头的出口截面上，大部分流体都是从封头人口管对应的圆形区域内喷射而出，流速由中间向两端递减，并以人口管轴线成对称分布．因此，若根据原始封头的流场分配情况改变封头出口上游的流体流通面积，则可使封头中心区域流体流通面积缩小，而周边区域的流通面积逐渐增大，在理想的情况下，每个微元流通面积上通过的流体量是相等的，而且封头出口处的物流分配的均匀性会提高，进而改进换热器内部的物流分配情况．根据上述改进思想，提出了改进型封头结构，即在原始封头结构的1／2高度处，添加一块开孔分流板．图2为开孔分流板的结构示意图(图中单位为ram)，根据经验挡板上的开孔直径分别为小孔10mm，中孔20 mm 和大孔30 mm 三种，由中轴线到周边逐渐增大，且呈错排分布．在实验中制作了两条与挡板等长的有机玻璃导槽，对称粘贴在原始封头结构1／2高度处，以利于挡板的安装与固定．  1．2 观测区域的分割及观测截面的选取 由于测量截面尺寸比较大，因此PIV片光源照射区域无法同时照亮整个截面．为了保证PIV的测量分辨率，每次拍摄的流场范围只有150 minx 150 mm左右．而希望观测封头的流场区域却很大，测量区域达300 mm×150 mm．考虑到封头结构的对称性，假定其内部流场分布也是对称的．因此，如图1所示，选择其观测视场为封头截面的一半即1／4圆，测量沿着封头长度方向上不同截面处1／4圆范围内的流场分布情况．实验选取封头长度的一半，沿着封头长度方向，从封头中轴线到周边，依次测量了11个截面，研究其流场分布情况．文中选取如图3所示的3个具有代表性的截面分析其流场分布情况．截面1处于封头的中轴线上且正对封头的人口管，截面2偏离人口管，截面3离中轴线最远，处于封头的周边．  2 计算模型的建立 2．1 物理模型 封头物理模型的尺寸即为实际尺寸，其主要的结构尺寸为人口管径200 mm、长176 mm；封头结构直径308 mm、长905 mm．采用Fluent公司的GAMBIT软件建立了封头结构的几何模型，用混合网格对几何结构进行网格划分，并且在壁面边界等参数变化较大的地方对网格进行适当的加密． 2．2 数学模型 在对封头内部的流场建立数学模型时作了如下基本假设：计算区域内的流动是稳态的；流体流动满足Boussinesq假设；计算区域中的流体为不可压缩的牛顿流体．在对封头流场进行数值模拟时，使用混合长度模型、K．L模型和K-E模型分别进行了计算．通过比较得知，使用K．e模型计算封头流场时精度最高．同样情况下，混合长度模型计算结果精度较低，K．L模型居中．而三者的计算耗时相差不大．从计算精度和计算经济性两方面考虑，本文使用e模型作为所求问题的湍流模型．连续性方程、动量方程、K 方程和e方程见参考文献E63．采用有限容积法对湍流流动的各控制方程进行离散各变量的离散化方程组采用TDMA逐线扫描低松弛迭代法求解，对连续方程和动量方程的联立耦合迭代求解则采用半隐式的SIMPLER算法．边界条件如下：给定进口Re一1．0×10 ；出口截面背压夕一101 325 Pa；壁面条件，四周的墙体绝热，无速度滑移；其残差绝对值小于10一． 3 数值模拟与实验结果分析和对比 3．1 原始封头 图4(a)为截面1的数值模拟和PIV实验所得结果．从图中可以看出，在Y方向正对人口管的地方，流速较大，上游流线平行流向出口．而偏离人口管的地方，主要依靠上游的流体分流而来，且形成明显的漩涡，流体在此处因为回流形成一个死区，导致在Y方向上物流分配极不均匀．主要是由于流体边界突然扩大，流动状态随之发生急剧改变，主流脱离边壁从而形成漩涡．此漩涡会引起机械能转化为热能，从而导致机械能的损失．而且，漩涡所消耗的能量较大，这是因为除了摩擦以外，尚有漩涡与主流之间的质量交换的缘故．由于封头模型的人口管管壁较厚(8 mm)且为弧形，不适合PIV观测，因此实验所得此截面的观测区域较之数值模拟偏小．  截面2没有正对人口管，随着截面与人口管距离的增大，小漩涡逐渐增大成为大尺度漩涡并向四周扩散，沿流向拉伸明显(图4(b))．可见，在封头内部这部分流体主要依靠流体的漩涡运动扩散而来．这是因为流体在出口截面横向压力梯度的作用下向封头两侧流动，小部分流体刚好到达出口并沿着出口通道流出，大部分流体碰到边壁，流动受到阻碍，脱离边壁形成漩涡并向周边扩散．截面3处于距离封头人口管最远的周边截面处，由于大部分流体在到达这个出口截面前已经分流掉了，流动能量已被漩涡消耗，流动速度降低，形成速度回流区，因此微通道出口的流体流量很低(图4(c))．这个区域成为流场低速区，且由于流体与边壁的粘性作用，漩涡消失且流线基本与出口微通道平行． 由以上的数值模拟以及PIV 实验结果分析可知，对于改进前的原始封头内部，物流分配主要依靠流体形成的漩涡流场，利用出口截面上的横向压力梯度进行分配．因此，人口管附近的地方流量大，而远离人口管的周边截面流量偏小．不仅物流分配不均匀，而且流体形成的漩涡会引起较大的能量损失．所以，需要对此封头进行结构改造，使得其出口截面物流均匀分配． 3．2 改进型封头 流体从封头人口管面积突然膨胀到孔板前面积，压力下降，有两个分量，一个是不可逆作用造成的压力损失，另一个是速度变化造成的压力降．流体到达孔板处有两种情况，刚好到达开孔处，经小孔流出，节流膨胀；刚好到达孔板壁处，流动被阻碍，根据Bernoulli方程，压力升高，形成一个横向的压力梯度，导致流体向周边流动，最后从其他dq'1．处流出．孔板出口的流体速度提高，有助于流体进行均匀分配．使得流体在到达封头的出口之前，就已经均匀分配．截面1正对人口管的截面，与结构改进前相比，在Y方向上物流分配均匀，流体的死区消失(图5(a))．在Y方向上，中间正对人口管的出口截面和没有添加挡板相比，流速明显降低，而偏离人口管的出口截面，流速明显增大．这是因为，孔板正中的小孔直径最小，对来流产生的阻力最大，导致了一个横向的压力梯度，迫使来流向四周分布，而边上的dq'L~'L径比较大，使得分流来的流体顺利通过．而且，与结构改进之前相比，孔板前面来流的漩涡消失，因为添加孔板之后，使得此处高度减半，没有足够的空间形成漩涡． 截面2偏离人口管，流体在挡板前面形成一个较大的漩涡，通过挡板之后的流体分布均匀(图5(b))．此截面部分的流体主要依靠挡板分流过来，流体碰到边壁流动受到阻碍，脱离边壁在挡板前面流体形成一个明显的漩涡．流体经过挡板上小孔分流作用之后，在Y方向上流体分布均匀．  周边截面3在添加挡板之后，流体的分布情况有了很大改善，截面整体流速增大，流线的方向与出口截面相垂直，直接从微通道流出封头(图5(c))．说明，添加孔板之后，抬高了远离封头入口的边界上的微通道出口流量，使得原始封头内物流分配的不均匀情况有了很大的改善．这是由于挡板壁面的阻碍作用，使得从挡板上小孔位置通过的流体与封头结构改进之前相比较小，意味着从没有挡板的两侧位置会有较多流体通过．因此，与改进前相比，流体流速增大，流线方向与出口截面垂直，流体直接从出口微通道流出． 从以上的分析可知，封头在添加开孔分流板之后，流体经过分流板分配之后再流到各出口截面，流场的不均匀分配情况有了很大改善．不仅沿封头轴向(z方向)流分配均匀，而且在出口截面的Y方向上，物流分配的不均匀性得到很大的改 善．同时，各截面的流体漩涡与改进前相比大大减少，因此由于湍流耗散引起的能量损失减少，可以抵消一部分由于添加孔板而给封头带来的压力损失，从而使得添加孔板前后，封头的压力损失增加不大． 3．3封头结构改进前后的对比分析 图6表示的是封头结构改进前后，物流分配沿封头长度方向的对比情况(图中 为出口通道数)．考虑到封头结构的对称性，假定封头两侧物流分配情况是相同的，因此出口通道数为21．经比较可以发现：对于添加孔板之后的改进型封头，物流分配的均匀性改进效果明显．中间通道流速明显降低，使得两侧周边通道的流速明显提高，从而整体流速分配均匀，达到结构改进的目的．从数值模拟结果和PIV 实验所得结果的对比可以看出，实验值与计算值趋势一致且相差不大．引起误差的原因主要在于封头入口管来流速度的差异，数值模拟假定入口管来流为稳态流动且在整个截面上速度相等，而在实际PIV实验操作中，由于没有添加稳压罐，风机供气不可能达到稳流状态，且在整个入口截面上速度不可能完全相等．除此之外，还有挡板安装导槽的影响．在数值计算的物理模型建造中，完全忽略了导槽的影响，而在PIV实验中，导槽是实际存在的且对流场有一定的影响．  |
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