基于有限元的典型换热结构比较研究

张泽昀，钟 飞

（湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉430068）

换热器是一种广泛应用在化工、动力、食品、药业、轻工等工业领域的能源转换设备，在能源的有效利用上扮演了重要角色。换热器的结构会直接影响到能源利用率和能耗水平。因此，各国的学者们对换热器结构开展了大量的研究，并从中获得了许多重要的实验参数和模拟结果。在典型的换热结构中，换热器中的球凸结构已成为近年来比较热门的研究课题，文献[1-3]开展了球凸的直径、深度、间距和排布对其性能影响的研究，其结果能为球凸几何结构的优化提供实验依据。

本文围绕换热器结构对性能的影响开展研究，其主要内容是对整体尺寸相同，但是结构不同的三种换热器内部的温度分布进行了数值模拟，并从传热效率、流动阻力以及综合传热系数三个方面进行了比较和分析。

1 计算模型的建立

本章主要研究不同结构下换热器的热学性能。为了减少尺寸参数对性能的影响，换热器几何模型的整体尺寸保持不变，即长度为100mm，宽为15mm，高度是12mm，壁厚1mm。边界条件在不同换热器的数值模拟过程中也保持同样设置：换热器内部流体为空气，入口边界选择velocity inlet，入口速度设置10m/s，入口温度为300K，出口边界条件为outflow，壁面温度600K。激活能量方程，由于本研究属于低雷诺数流动，采用标准RNGκ-ε模型的模拟结果最接近实际测量值，因此本文选择RNGκ-ε湍流模型进行数值计算。不同结构换热器的数值模拟均在ANSYS中的ICEM模块中进行建模和非结构性网格划分，并在FLUENT模块中进行计算。

2 结果分析

2.1 球凸结构对换热器性能的影响

本节主要对圆球形、横向椭圆形和纵向椭圆形的三种结构进行分析。具体结构如图1所示。图1（a）中球凸的半径为2.5mm，高度为2.5mm，相邻两球心之间的距离为10mm；图1（b）中纵向椭圆形球凸的长轴半径为5mm，短轴半径为2.5mm，相邻两球心之间的距离为10mm；图1（c）中横向椭圆形球凸的尺寸与纵向椭圆形球凸的尺寸完全一样，相邻两球心的距离为16mm。

图1 球凸换热器的三种结构

图2（a）、（b）和（c）显示的是三种球凸结构换热器的通道中截面温度分布云图，纵向椭圆形球凸的出口中心空气温度最高，其次是横向椭圆形球凸，圆球形球凸的出口中心的空气温度最低。近壁面的温度从高到低的排列顺序是：纵向椭圆形球凸的最高，其次是圆球形球凸，横向椭圆形球凸最低。这说明不同结构的球凸对换热器传热性能的影响较大，在纵向椭圆形球凸的布置方式下，同排两个球凸之间的间距最小，空气受到的冲击更大，同时空气与壁面的接触面积也最大，两者同时作用，造成这种结构的传热效率最高；而在横向椭圆形球凸的布置方式下，虽然同排两个球凸之间的间距最大，对空气的冲击较小，但是空气和壁面的接触面积与圆球形球凸结构相比更大，强化换热效果优于圆球形球凸结构。

图2 三种球凸结构换热器的温度分布云图

综合上述分析，不同球凸对换热器内部流体的传热有明显的影响。而纵向椭圆形球凸结构的传热性能都明显优于其他两种结构，可以作为球凸结构下，实际应用中的首选方案。

2.2 综合性能比较

换热器的进出口温度差和速度变化分别可以直观地表征其传热和阻力性能，而综合评价指标PEC则用来评估换热器的综合特性，其表达式为：

式中，Nu表示换热器的努塞尔数，Nu0表示无凸起光管的努塞尔数；f和f0分别表示换热器和无凸起光管的阻力系数。以上三种结构换热器的努塞尔数、阻力系数与PEC值分别列入表1中。PEC值从大到小的排列依次是：纵向椭圆形球凸，圆球形球凸结构，30°倾角三角结构，15°倾角三角结构和横向椭圆形球凸结构。这一排列顺序与凸起高度从大到小的排列顺序是一致的。

表1 不同模型的进出口温度差、阻力系数和PEC

对这一现象的解释如下：不同结构下，凸起部分使得通道收缩，流体流经该区域时速度增大，静压力下降。经过凸起之后通道扩张，流体速度减小，静压力上升，并通过速度的改变发生流体分离和再混合，并产生涡旋结构，冲击近壁面的流体边界层，提高综合性能。凸起的高度越大，其综合性能就越强。

3 结论

本文以数值模拟的方式，主要研究了三种不同结构对换热器通道内空气的流动和换热性能的影响。主要结论如下：纵向椭圆形球凸的强化换热效果最好，其次是圆球形球凸，横向椭圆形球凸的效果最差。通道中的空气在纵向椭圆形球凸的出口中心速度最大，并且能观察到明显的涡旋结构；而横向椭圆形结构的出口中心速度最小。三种结构的综合评价指标PEC值从大到小的排列依次是：纵向椭圆形球凸结构，圆球形球凸结构，横向椭圆形球凸结构。这一排列顺序与凸起高度从大到小的排列顺序是一致的。本文的研究结果能对选择和优化换热器结构提供理论依据。