[发明专利]一种基于场协同理论优化换热器肋片结构的方法

说明书

本发明公开了一种基于场协同理论优化换热器肋片结构的方法包括以下步骤：步骤一、采用数值模拟方法计算得到换热器内部冷热流体的速度场等结果；步骤二、采用数值模拟方法得到换热器内部焓值(温度)场分布；步骤三、耦合上述两步骤中等到的速度场和焓值(温度)场，计算流动过程中的速度矢量与换热过程中焓值梯度场法向矢量之间的夹角β；步骤四、根据得到的β值的大小，评价不同换热器肋片形式之间换热能力的大小。采用该方法对冷凝式换热器肋片结构进行优化，只要从数值模拟和理论方面进行分析，即可实现度换热器肋片结构的优化，方法简单、成本低且可靠。

技术领域

本发明涉及优化换热器肋片结构的方法，尤其涉及基于场协同理论优化换热器肋片结构的方法。

背景技术

换热器作为一种重要的工业设备，广泛应用于化工、石油、动力、冶炼等多个领域。由于上个世纪八十年代世界范围内的能源危机，世界各国均在努力开发新能源，研究高效节能新技术。换热器作为一种能量交换和传递设备，采用各种形式的肋片强化换热效率一直是换热器研究领域的重点工作，关于换热器肋片的结构形式多种多样，如针型肋、环形肋等。现有的换热器肋片形式优化方法中，主要集中于采用实验测试，数值模拟等方法。而从换热器的换热原理方面直接进行优化设计的方法，相对较少。

现有的针对换热器肋片优化的实验测试方法，需反复铸造不同结构的换热器，导致实验周期较长、成本较高、且劳动强度大；而数值模拟方法主要基于计算流体力学原理对换热器运行工况进行模拟分析，理论优化空间较小、难度大，虽操作简单，但优化设计方向随机性太大，不能很好的根据研究目的，对换热器肋片进行有针对性的优化。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供了一种方法简单、成本低，且可靠的基于场协同理论优化换热器肋片结构的方法。

为了实现优化目标，采用的技术方案是：

本发明的一种基于场协同理论优化换热器肋片结构的方法，包括以下步骤：

步骤1：针对换热器内部流体的流动过程，采用数值模拟的方法，得到换热器内部流体的速度边界层厚度、温度边界层厚度和浓度边界层厚度；

步骤2：针对换热器内部流体的换热过程，根据步骤1得到的速度边界层厚度，温度边界层厚度和浓度边界层厚度，得到换热器内部温度梯度场和水蒸气浓度场耦合之后的焓值梯度场，其中若无冷凝换热过程，所得到的焓值梯度场分布为温度梯度场；

步骤3：将上述得到的流体的流动速度场和换热器内部的焓值梯度场进行耦合，得到其中流动速度场中速度矢量与换热过程中焓值梯度场的法向矢量之间的夹角β；

步骤4：根据得到的β值的大小，评价不同换热器肋片形式之间换热能力的大小，其中一种换热器肋片形式下的β值越小，说明该肋片换热能力越强；反之，则越弱。

本发明提供的换热器肋片形式优化方法，只要从数值模拟和理论方面进行分析，方法简单、成本低且可靠。

附图说明

图1是换热器肋片壁面场协同原理图；

图2是流体流过肋片壁面时边界层的脱体原理；

图3是圆柱形肋片壁面速度云图和焓梯度矢量合成图；

图4是椭圆柱形肋片壁面速度云图和焓梯度矢量合成图；

图5是圆柱形和椭圆柱形肋片壁面Nu数对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。