计算传热学在工程换热设备传热研究中的运用分析

赵征 汪一舟

摘 要：工业现代化趋势下，机械设备在实践生产中得到了广泛应用。其中换热设备能够将热量从热流体传递到冷流体当中，以满足生产需求。随着生产技术不断发展，人们对换热设备传热性能提出了更高要求，将计算传热学应用到设备传热研究中，能够提高传热效果，且能够提高产品生产质量。文章从计算传热学概念入手，对计算传热学在工程应用现状进行分析，并提出计算热传学在实践应用中未来发展趋势及方向。

关键词：计算传热学；工程换热设备；传热研究；运用

随着社会经济不断发展，我国各领域得到了长足发展。计算传热学作为一门新兴学科，主要涉及热传导、对流传热等内容，为工程换热设备传热研究提供了极大的支持。在实践应用中，将计算技术、仿真技术有机整合到一起，能够根据具体情况实现良好的热能交换，提高生产有效性。

1 计算热传学概述

所谓计算热传学，是指对流动与传热问题的控制方式，并利用数值解值法对计算机进行求解的一门学科。它主要是研究传热学四大模块，即热传导、对流传热及辐射传热等内容，其中流体力学理论与成果是学科研究的重要前提和基础。计算传热学发展之前，受到计算方法、硬件发展的限制，使得研究停留在单元热传递方面，没有实现进一步拓展[1]。随着科学技术不断发展，针对大型、复杂流动换热设备物流过程给予了更多关注和研究，在很大程度上突破了以往研究局限性，促进学科研究迈向全新的领域和方向。

2 计算传热学在工程应用现状

自上个世纪30年代以来，Thom首次利用手摇计算机完成外掠圆柱流动数值计算，为计算传热学规模化应用提供了极大的支持。随着计算机技术快速发展，越来越多的学者对计算传热学实际应用产生兴趣，并集中对换热设备内部流动与传热耦合问题进行了深入研究。如B.M.Burnside构建再热锅炉二维数值计算模型，通过数值计算，结合实验研究结果能够对锅炉流动、温度分布及流动损失进行了分析。由于锅炉结构较为复杂，在计算时，选择R113余正戊烷作为介质，以此来提高计算有效性。通过计算锅炉内部介质流速分布、热流率等参数，能够为锅炉设计和制造提供科学依据。德国学者利用2D、3D计算机流动模拟模型等分析介质流动与流动尾迹振动激励耦合问题。同时，美国学者通过对单列带翅管式换热器可视化进行研究，借助翅片之间的距离实现了无量纲化。

在国内，针对计算传热学的研究取得了丰富的成果，如华中理工大学结合导热三维温度数值计算等特点，设计并制定了颜色纹理法可视化方案，能够实现对导热全过程的监督和控制。浙江大学对燃烧锅炉内NOx生成机理的研究，简化了模型结构，并计算出三维数值，将计算结果与实验结果进行比较，发现二者具有较好的契合度。国内对于传热的研究多以计算流体力学为基础，积极引入了PIV等先进技术，对实际问题进行针对性分析，上述成果的出现，具备较好的可信度，为实践操作奠定了坚实的基础。

3 计算传热学在工程换热设备中应用未来发展趋势

现代工业化发展，对于工程换热设备实际问题，无法依靠单一学科予以解决。随着科学技术不断发展，针对传热学中复杂问题的解决，务必要以多学科交叉为基础，同时引入新学科，提高问题解决有效性。由于传热、传质及流动动量在传输中存在密切联系，相互作用，故可以判断为要素之间具有非线性关系。现代科学发展背景下，湍流预测难度较大，其中的流体轨道行为具有較强的随机性，其中大漩涡套着小漩涡，小漩涡套着更小的旋涡，在各个层次上都具有相似的结构。为了探究其中的奥秘，我们要积极引入分形几何学、多维流动传热模型等，以此来提高研究有效性。

为了促进实践应用发展，针对数值的计算要强调典型问题，使其与并行算法相结合，提高计算结果准确性。数值计算绝对不是验证理论，更多的是强调实践特征[2]。因此，在未来研究中，势必会朝着规模化、集成化方向发展，越来越多的大型通用软件为研究和设计起到了辅助作用。

任何学科的发展都离不开其他学科的渗透和支持，因此，计算传热学在换热设备中的应用，开始引入流动测量技术、可视化技术等，其中LDV技术自身精度较好、且测量范围广，为流场研究提供了先进的技术支撑。在实践应用中，学者可以借助技术手段，实现对整个热能传输全过程的监督，发现热能交换特点及规律，使得理论在实践中应用更具科学性。除此之外，换热设备长期应用后，会出现污垢，针对污垢处理技术也是技术未来研究的重心，虽然目前理论研究成果较为丰富，但是污垢形成较为复杂，除垢增加了企业成本消耗。因此，未来技术研究中，还要侧重对结垢问题数学模型的研究，分析污垢形成的原因，根据污垢形成特点及规律，并采取相应措施予以处理。

4 结论

根据上文所述，随着换热设备在各领域中的普及和应用，人们对其换热性能提出了更高要求。计算传热学作为一门重要学科，其能够体现出换热特点及规律，应用到换热设备当中，能够提高换热有效性。随着科学技术不断发展，对于计算传热学在设备中的应用，我们还要给予深入研究，积极引入现代技术，加强学科之间的融合和渗透，形成全新的技术，实现对设备换热性能的优化和调整，不断提高设备换热效果，满足实践生产需求，从而促进相关领域持续健康发展。

参考文献：

[1]张长兴，李华伟，彭冬根，刘玉峰，丛晓春.形状因子法在垂直U型埋管传热分析中的应用[J].可再生能源，2013，31（09）：124128.

[2]丁玉栋，王强，王宏，胡先林，范勇刚，伍立新.工业设备及管道绝热结构外表面换热系数取值的探讨[J].化工设计，2011，21（04）：3745+12.

[3]周力行.Nox生成湍流反应率数值模拟的进展[J].力学进展，2014，11（1）.456458.