板翅换热器翅片热流动尺度解析模拟与仿生结构强化传热研究

发布时间：2020-07-18 06:47

【摘要】：针对工业中应用最广泛的换热器强化传热及减阻等问题,在吉林省科技厅重点科技攻关项目“扰流叶片仿生超疏水/超疏油、减阻多功能耦合设计与制备关键技术”的资助下,本文选用传热效率最高、体积最小的板翅换热器中的锯齿型板翅换热器作为研究对象,研究其换热过程的流动机理与换热性能的提升方法。本文利用计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,对换热器内部热量交换过程中的复杂热流场进行尺度解析计算。然后,分析了热量传递的机理。融入仿生设计,利用生物优异的传热结构,对换热器翅片进行改进,为提升换热器的性能研究提供了一个新的解决方法。全文主要工作包括:1.尺度解析模拟计算方法研究本文从尺度解析模拟方法中选取DDES,SBES,DLES三种方法进行对比分析。为减少选择模型的工作量,利用经典的后台阶流动算例对尺度解析方法进行评估,在计算时间和流动结构解析等方面对比DLES、DDES、SBES三个模型间的优缺点。在壁面摩擦系数图中,SBES模型比DDES、DLES模型曲线趋势更符合实验值曲线;在速度分布图和粒子轨迹图中,可以看出SBES和DLES模型对台阶后的回流区刻画地更完全;在湍动能图中,SBES和DLES模型比DDES模型描绘地更细致;在展现流场涡结构方面,SBES模型比其他两种模型展示的涡更清晰有序、不散乱。用SBES模型可以在所耗费计算时间最短的情况下,更好更准确的描述出后台阶流场内各物理场的性质,因此应用SBES湍流模型对换热器热流场进行尺度解析计算。2.水蒸汽-空气介质的锯齿型板翅换热器数值模拟选择换热介质为水蒸汽-空气、型号为1/8-13.95的锯齿型板翅换热器进行换热过程的数值模拟。在CFD软件中,首先选用与试验中相同的SST k-?模型,选用PISO算法、二阶迎风空间离散格式、不可压缩流体、无滑移壁面等边界条件,并且计算域生成了高质量的六面体结构网格,将模拟得到的换热器换热性能参数与试验数据进行了比较,发现换热因子j的误差为5.10%,摩擦因子f的误差为7.34%,证明可以采用数值模拟方法对换热器仿真计算,其计算结果对于模型的性能分析是有效且可靠的。选用SBES湍流模型,采用同样的网格和物理条件,对换热器进行尺度解析模拟,得到的换热器换热性能参数与试验值对比,发现雷诺数Re=800时SBES模型的换热因子j与试验值间的偏差为6.2970%,摩擦因子f与试验值间的偏差为1.3196%。且从换热过程中流体流动结构图来看,SBES模型能更加详细地描绘流场结果,表明尺度解析SBES模型比SST k-?模型在计算换热时效果更好。3.油水介质的锯齿型板翅换热器SBES数值模拟为了拓宽锯齿型板翅换热器的应用范围,本文将换热器的工作介质变成125℃的8号液力传动油和60℃的水,计算时流场湍流模型变成SBES模型,采用相同的434万六面体网格,相同的边界条件进行模拟仿真,分析换热器进行换热工作时的内流场情况。当雷诺数Re=1000时,中间切面z=0.015m处的平均速度为3.8149m/s,平均湍流动能为0.2952m2/s2,换热器热流道出口的平均温度为114.15℃。4.基于鲨鳃仿生结构的锯齿型板翅换热器强化传热研究利用仿生学的思想,采用鲨鱼鳃裂结构的外形,通过改进模型的几何结构来改善锯齿型板翅换热器在换热过程中的性能,经过再次建立仿生模型并对其数值模拟计算,将优化后结果数据与相应的原模型CFD计算数据比较,对于不同雷诺数下,即流体入口速度不同的情况下,分别分析对比。经计算开口大小为1.06mm,开口角度为25°的模型在Re=1000,z=0.015m切面处的平均速度为3.8521m/s,提升了9.75%;平均湍动能为0.3411 m2/s2,增大了15.55%;换热器热流道出口的平均温度为113.53℃,下降了0.62℃,证明优化模型的开口结构能增强湍流程度,提升换热器的传热性能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK172
【图文】：

演变过程,湍流,流体

第 2 章尺度解析模拟方法湍流概述流是一种的常见流动状态，工程上很多实际问题中都有湍流的存在。简单用平板上流体流动演示，如图所示来流速度均匀的流体最开始接触到平板，形成一段距离的层流边界层，层流区域流体的流动特性比较容易预测。一段距离的流动，流体由于受到惯性力和粘性力共同的作用出现波动，波的地方形成涡旋。涡旋相互作用，破碎后则动能逐渐转化成流体内能，涡逐渐消散。但同时，流体在边界层、惯性力和粘性力共同作用下不断振荡，也不断生成，如此流动开始转变为湍流运动，并最终完全转变为湍流[55~58]。下图 2.1。

对比图,湍流模型,对比图

图 2.3 湍流模型对比图雷诺平均和大涡模拟方法应用的范围都很广，但是其最终得到的数值模拟结果和实际湍流流动仍有些出入，它们都有各自的优缺点，对一些问题并不具有普适性。RANS 方法区域只包含很薄的剪切层，而且由于对模型进行了时均化处理，某些信息已经被抹掉，所以并不能准确描述湍流流场的瞬态信息，无法充分模拟出流场各向应力分布、涡旋瞬时信息以及涡结构的演化等情况。LES 在模拟高雷诺数和近壁面湍流流动问题时，计算量大，耗时较多，故也不适用于工程实际问题。针对 RANS 和 LES 各自的优缺点，近些年一些研究学者们提出了一种RANS/LES 混合方法，已经在很多领域得到了广泛的应用。这种混合方法的思想是将整个流场分为两个部分，由于 RANS 方法可以很好地模拟边界层区域的流动，所以流域的近壁区使用 RANS 方法来计算；在离壁面较远的主流区，主要是惯性力起作用，采用 LES 方法进行计算。这样的混合方法能充分发挥二者的优势，更为准确地模拟边界层结构以及分离流大尺度湍流涡结构，且计算量适中。

示意图,后台阶,流域,台阶

参考 Spalart 的试验结果，对比三种湍流模型。下图2.5 为后台阶流动流域的示意图，图中展示了台阶流道单元体整体的三维结构，其中台阶高度 H=38mm，整体台阶高 5H=190mm，台阶总长度为 29H=1102mm，单元体台阶宽度为 2H=36mm。根据台阶自身的几何形状特征，为了达到较高的网格质量及计算精度，本文将用六面体结构网格来划分流域，并在台阶处及其周围区域进行局部加密处理，网格数为 1,761,738。本文将选用 Fluent 软件对后台阶流动模型进行数值模拟，台阶进口处设为充分发展的流体，来流速度 u=11.3m/s，出口采用自由流。台阶的上、下面设置为无滑移壁面边界条件，左、右面设置为周期性边界条件。计算选用 PISO 算法

【参考文献】