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CFD 技術在板翅式換熱器設計中的應用

點擊:2030 日期:[ 2014-04-26 22:45:06 ]
張哲 厲彥忠 田津津 摘要: 回顧了計算流體動力學(CFD) 幾年來的發展現狀, 并且介紹了計算流體動力學(CFD) 技術應用的領域、CFD 軟件的一般結構以及各種商業軟件的特點, 同時闡明了CFD 技術在板翅式換熱器設計應用方面的優越性, 并指出了我國在CFD 技術研究領域與國際先進水平的差距及進一步開展CFD 研究的方向。 關鍵詞: CFD 技術 板翅式換熱器 研究 應用 1 引言     CFD (Compu tat ional F lu id Dynam ics, 即計算流體動力學, 簡稱CFD [ 1 ] ) 是目前國際上一個強有力的研究領域, 是進行傳熱、傳質、動量傳遞及燃燒、多相流和化學反應研究的核心和重要技術, 廣泛應用于航天設計、汽車設計、生物醫學工業、化工處理工業、渦輪機設計、半導體設計、HAVC&R 等諸多工程領域, 板翅式換熱器設計是CFD 技術應用的重要領域之一。     CFD 在最近20 年中得到飛速的發展, 除了計算機硬件工業的發展給它提供了堅實的物質基礎外, 還主要因為無論分析的方法或實驗的方法都有較大的限制, 例如由于問題的復雜性, 既無法作分析解, 也因費用昂貴而無力進行實驗確定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模擬較復雜或較理想的過程等優點。經過一定考核的CFD 軟件可以拓寬實驗研究的范圍, 減少成本昂貴的實驗工作量。在給定的參數下用計算機對現象進行一次數值模擬相當于進行一次數值實驗, 歷史上也曾有過首先由CFD 數值模擬發現新現象而后由實驗予以證實的例子。CFD 軟件一般都能推出多種優化的物理模型[ 2 ] , 如定常和非定常流動、層流、紊流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應等等。對每一種物理問題的流動特點, 都有適合它的數值解法, 用戶可對顯式或隱式差分格式進行選擇, 以期在計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳。CFD 軟件之間可以方便地進行數值交換, 并采用統一的前、后處理工具, 這就省卻了科研工作者在計算機方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效的勞動, 而可以將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。 2 CFD 技術在板翅式換熱器設計開發方面的優越性     板翅式換熱器是一種高效、緊湊式換熱器, 隨著加工工藝技術的發展, 其應用范圍不斷擴展, 目前廣泛應用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨等工業領域[ 3 ] , 其突出優點是結構緊湊、便于多股流布置、小溫差和大溫降換熱。傳統的板翅式換熱器設計一般僅依靠簡單的理論及實驗分析來確定板翅式換熱器的結構形式, 但是這需要大量的實驗經費以及很長的實驗周期, 而且這樣得到的結構形式并不能確保為最佳的方案, 傳統的板翅式換熱器設計流程[ 4 ]如圖1。       從傳統設計流程圖中可以看到在傳統的板翅式換熱器設計過程中,設計可行與否往往取決于試驗, 為保證性能穩定, 就不得不進行大量試驗, 而且產品方案的篩選和優化是在設計、制造、測試部門之間進行大循環, 由于牽涉的環節多, 產品的開發周期長、費用高; 對工程設計而言, 往往需要進行方案選擇、優化, 但是由于板翅式換熱器內流體流動與傳熱規律是十分復雜的[ 5 ] , 僅靠實驗測試并不能最終達到開發新產品和精確設計的目的。     從上面所述不難看出, 完全通過傳統實驗研究不能很好的達到板翅式換熱器優化設計的目的。因此, 近年來國內外重點加強了設計制造方法學的研究, 提出通過“數值試驗”——計算流體力學(CFD) 模擬計算, 來評價、選擇和優化設計方案, 從而大幅度地減少實驗室和實體試驗研究工作量[ 6 ] , 而且獲得的結果直觀、快捷。     CFD 設計流程圖表明換熱器的設計方案可以僅通過CFD 計算結果就可以進行評估,并且由于CFD 軟件可以比較快捷、準確及直觀的反映出流體在換熱器中流動的過程, 如速度場、壓力場、溫度場或濃度場的分布, 因此很容易從對流場的分析中發現樣品設計中存在的問題, 及時的反饋并進行設計方案的改進, 從而避免了浪費大量的人力、物力和時間。而實驗測量僅起到驗證計算結果的目的, 大大減少了時間和經費。     板翅式換熱器的CFD 優化設計可以在滿足用戶性能要求的前提下, 具有最小的投資費用和運轉費用。優化設計包括翅型選擇、流通布置、流體均布、溫度場分布和縱向熱傳導的考慮等等。在設計中, 以局部熱平衡偏差、允許阻力值、流道計算長度偏差為主要控制指標, 進行流通排列分配, 使設計更趨合理, 對流體間溫差小、溫降大的低溫熱換器更為重要。因此,CFD 技術在板翅式換熱器的優化設計方面體現了無比的優越性, 是一個很大的飛躍, 對今后板翅式換熱器的研制具有深遠的影響。 3 CFD 軟件的總體介紹 3. 1 CFD 軟件的一般結構     CFD 軟件的一般結構由前處理、求解器、后處理三部分組成, 如圖3 所示。     前處理、求解器及后處理三大模塊, 各有其獨特的作用, 分別表示如下: 一般結構 前處理 a. 幾何模型 b. 劃分網格 求解器 a. 確定CFD 方法的控制方程 b. 選擇離散方法進行離散 c. 選用數值計算方法 d. 輸入相關參數 后處理 速度場、溫度場、壓力場及其它參數的計算機可視化及動畫處理 3. 2 商業軟件介紹     自從1981 年英國CHAM 公司首先推出求解流動與傳熱問題的商業軟件PHO EN ICS以來, 迅速在國際軟件產業中形成了通稱為CFD 軟件的產業市場。到今天, 全世界至少已有50 余種這樣的流動與傳熱問題的商業軟件, 在促進CFD 技術應用于工業實際中起了很大的作用。下面介紹當今世界上應用較廣的CFD 商業軟件。 (1) CFX     該軟件采用有限容積法、拼片式塊結構化網絡, 在非正交曲線坐標(適體坐標) 系上進行離散, 變量的布置采用同位網格方式。對流項的離散格式包括一階迎風、混合格式、QU ICK、COND IF、MU SC I 及高階迎風格式。壓力與速度的耦合關系采用S IM PL E 系列算法(S IM 2PL EC) , 代數方程求解的方法中包括線迭代、代數多重網絡、ICCG、STON E 強隱方法及塊隱式(B IM )。軟件可計算不可壓縮及可壓縮流動、耦合傳熱問題、多相流、化學反應、氣體燃燒等問題。 (2) F IDA P     這是英語F lu id Dynam icsA nalysis Package 的縮寫, 系于1983 年由美國F lu id Dynam2ics In ternat ional Inc. 推出, 是世界上第一個使用有限元法(FEM ) 的CFD 軟件。可以接受如I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成網格的軟件所產生的網格。該軟件可以計算可壓縮及不可壓縮流、層流與湍流、單相與兩相流、牛頓流體及非牛頓流體的流動問題。 (3) FLU EN T     這一軟件由美國FLU EN T Inc. 于1983 年推出, 是繼PHO EN ICS 軟件之后的第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。它包含有結構化及非結構化網格兩個版本。在結構化網格版本中有適體坐標的前處理軟件, 同時也可以納入I- DEA S、PA TRAN、AN SYS 和ICEMCFD 等著名生成網格的軟件所產生的網格。速度與壓力耦合采用同位網格上的S IM 2PL EC 算法。對流項差分格式納入了一階迎風、中心差分及QU ICK 等格式。軟件能計算可壓縮及不可壓縮流動、含有粒子的蒸發、燃燒過程、多組分介質的化學反應過程等問題。 (4) PHO EN ICS     這是世界上第一個投放市場的CFD 商業軟件, 可以算是CFD 商用軟件的鼻祖。這一軟件中所采用的一些基本算法, 如S IM PL E 方法、混合格式等, 正是由該軟件創始人D BSpalding 及其合作者S V Patankar 等所提出的, 對以后開發的商業軟件有較大的影響。近年來, PHO EN ICS 軟件在功能上與方法方面做了較大的改進, 包括納入拼片式多網格及細密網格嵌入技術, 同位網格及非結構化網格技術; 在湍流模型方面開發了通用的零方程、低Reyno lds k- E模型、RN G k- E模型等。應用這一軟件可計算大量的實際工作問題, 其中包括: 城市污染預測、葉輪中的流動、管道流動。 (5) STAR- CD     這一軟件名稱是英語Sim u lat ion of Tu rbu len t F low in A rb it rary Region 的縮寫, 連字符后的CD 是開發商Compu tat ionalDynam ics L td 的簡稱。這是基于有限容積法的一個通用軟件。在網格生成方面, 采用非結構化網格, 單元的形態可以有六面體、四面體、三角形截面的棱柱體、金字塔形的錐體及六種形狀的其它多面體。應用這一軟件可以計算穩態與非穩態流動、牛頓流及非牛頓流體的流動、多孔介質中的流動、亞音速及超音速流動, 并且這一軟件在世界汽車工業中應用的十分廣泛。 4 我國板翅式換熱器CFD 研究的發展方向     自1993 年西歐共同體解除了PHO EN ICS 商業軟件對中國的禁運, 我國各高校及研究所陸續引進各種CFD 商業軟件并且對CFD 技術在板翅式換熱器的優化設計應用的研究已取得了很大的進步, 其中西安交通大學制冷系率先從國外引進CFD 商業軟件并且結合數值計算理論知識對軟件加以完善。經過多年不斷努力, 已成功的將CFD 技術應用到板翅式換熱器的優化設計、渦輪葉片設計、制冷低溫等多方面領域, 但是由于起步晚的原因, 我國CFD 技術與發達國家還有很大的差距。我國CFD 技術在板翅式換熱器的優化設計應用的研究方面還有大量工作要做, 主要表現在以下幾個方面: (1) 繼續加強前處理幾何模型建立的功能; (2) 繼續加強復雜形面網格劃分的技術; (3) 繼續加強數值求解理論算法的改進; (4)繼續加強計算結果可視化技術; (5) 繼續加強CFD 軟件在解決板翅式換熱器內部復雜流動與換熱的功能。 5 結論     綜上所述, CFD 技術有著極其廣泛的應用前景, 對我國的現代化建設和社會的持續發展有著不可忽視的影響。21 世紀的CFD 技術是現代計算流體動力學發展的深化和繼續, 隨著CFD 技術在板翅式換熱器設計開發中越來越廣泛的應用, 對其進行的研究與工程實際需求還相差較遠, 還需將理論分析、實驗研究、CFD 數值模擬三者緊密的結合起來以相互補充, 這是研究板翅式換熱器問題的理想而有效的手段。可以預期, 隨著計算機工業和數值方法的進一步發展, CFD 技術將會發揮其越來越大的作用。  
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