[发明专利]基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法

说明书

一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，先选择板翅式换热器的翅片型式和参数，然后在fluent软件中建立简单数学模型，再建立入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件，并设置求解器的具体参数；在定温下计算初始速度场和温度场，对入口空气加载一个随时间变化的入口温度，设定计算时长，整个过程记录并保存出口温度、换热量、压差的参数随时间的变化情况，重复得到传热因子和摩擦因子随着雷诺数的变化关系，本发明能够在不进行实验的情况下，利用单股流体与换热器本身的传热过程来获得换热器的传热与流动特性，让瞬态测试方法良好的应用板翅式换热器的性能研究与预测。

技术领域

本发明涉及板翅式换热器技术领域，具体涉及一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法。

背景技术

板翅式换热器作为一种新型高效换热器，由于其结构紧凑、传热性能良好、适应性高等优点，已经被广泛应用于石油化工、天然气液化、低温法空气分离、工程机械、宇宙空间技术等行业。综合传热与制造成本，板翅式换热器与传统的管壳式换热器相比，其传热效率高20％～30％，成本可以降低50％。高效换热翅片及其传热与流动特性测试一直以来都是热力学工作者的主要研究方向之一。

翅片是板翅式换热器中最基本也是最核心的传热单元。不同型式和参数翅片所具有的雷诺数Re与传热因子j以及雷诺数Re与摩擦因子f的关系也不尽相同。各种不同类型的翅片导致通道内结构多样化，所以无论是实验手段还是计算方法上，换热器的传热与流动特性难以准确获取。当前常见的实验方法主要是稳态的测试方法，这种办法一般使用一个固定热源与空气进行换热，利用牛顿冷却定理和热平衡的方式获得空气侧的换热系数。这种方法一般实验系统复杂，每组工况都需要一定的时间让系统平衡，对于测试来说周期较长。另一种测试方式是瞬态测试方法，与稳态实验相比，瞬态方法具有测试周期短，实验设备简单等优点，但是这种测试方法当前应用板翅式换热器的测试并不多见，因为其数学模型的建立要求与试验件吻合程度较高，实验时测试精度要求也比较高。无论是哪一种方法都需要进行大量的实验才能得到所需要的性能结果，如果想要对比不同翅片不同工况下的换热和流动特性实验内容会非常繁重。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，为板翅式换热器的设计加工提供技术和实验支持，减少大量的实验时间，为翅片的性能预测提供一种选择。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于瞬态技术的板翅式换热器传热流动性能数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，根据需要使用的流动和换热工况来选择板翅式换热器的翅片型式和参数；参数有翅片高度hf、翅片宽度sf、翅片厚度δf和翅片单元长度lf，翅片高度hf是指从锯齿型翅片最底边缘到最高边缘的距离，翅片宽度sf为相邻两个锯齿型翅片之间的距离；平直翅片仅包含翅片高度hf，翅片宽度sf、翅片厚度δf；

步骤二，根据步骤一中的参数在fluent软件中利用Gambit建立该种类型翅片的简化数学模型，对简化数学模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；

步骤三，设置入口、出口、固体外壁面和流固特性的边界条件，根据所需要的雷诺数设置最初流过翅片空气的初始条件，并设置求解器的具体参数；

步骤四，在给定300K的入口空气温度下通过求解器计算稳态换热的初始速度场和温度场，记录并保存计算结果；

步骤五，计算瞬态换热情况：根据实验数据事先设计一个随时间变化的温度曲线，在某一时刻将步骤四中的入口空气由恒定温度替换为随时间变化的温度，让换热器翅片和隔板与来流空气进行换热，设定计算时长，整个过程记录并保存换热器中各个位置的温度、换热量、压差参数随时间的瞬态换热数据；