韓明剛

(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電(技師)學(xué)院，陜西 西安 712000)

0 引言

板翅式換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊、換熱高效、工況適應(yīng)性強(qiáng)的間壁式換熱器，廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工、航空航天和低溫工程等工業(yè)領(lǐng)域。研究表明板翅式換熱器內(nèi)部的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布不均和縱向傳熱是引起小溫差、高傳熱單元數(shù)(NTU)以及微通道換熱器整體效能下降的主要原因[1-2]。而事實(shí)上這三者之間具有耦合關(guān)系，其中物流的分配不均會(huì)加劇溫度場(chǎng)的分布不均和縱向傳熱，所以物流的分配不均對(duì)換熱器整體效能的影響最為顯著[3]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究換熱器的物流分配特性，從而改善換熱器的整體效能。

吳裕遠(yuǎn)等[4]研究表明，氣液分配不均能使低溫兩相流板翅式換熱器的效能下降 20%～40% 。焦安軍等[5]建立了物流分配不均勻性對(duì)換熱器效能影響的理論分析模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì) NTU> 100的板翅式換熱器，物流分配的不均勻性引起換熱器效能的下降量在 10%以上。

由于物料的分配不均勻嚴(yán)重影響板翅式換熱器的整體性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出多種不同的改善換熱器入口物料分配不均的措施[6]，主要集中于封頭和導(dǎo)流片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，另外還有針對(duì)兩相流體分配的改進(jìn)研究，還有針對(duì)海上晃蕩工況下封頭內(nèi)兩相流分配特性的模擬研究[7]。

關(guān)于封頭，焦安軍等[8]、王江等[9]將原來(lái)的一次封頭分配改為二次封頭分配，提出了二次封頭的結(jié)構(gòu)形式。沈素萍等[10]在此基礎(chǔ)上改進(jìn)二次封頭的型線，研究指出正切形封頭的效果最佳。雖然二次封頭使物流分配特性有所改善，但在工程實(shí)際中由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而不便安裝。

上述研究均針對(duì)換熱器進(jìn)料封頭結(jié)構(gòu)開(kāi)展了相應(yīng)的研究，但是不同領(lǐng)域的板翅式換熱器所需的性能要求各不相同，運(yùn)行工況也有差異，此外還需考慮設(shè)計(jì)、加工、制造安裝的難度和成本，因此目前也暫未有一種通用、有效的改進(jìn)措施，有關(guān)板翅式換熱器物流分配特性仍需要進(jìn)一步的研究與完善。本文將針對(duì)兩相流工況下板翅式換熱器的進(jìn)料物流分配問(wèn)題展開(kāi)研究，提出一種新型改進(jìn)型封頭，并通過(guò)模擬分析改進(jìn)型封頭的物料分配特性。

1 研究模型

本文研究對(duì)象來(lái)源于某空分裝置，由一個(gè)水平半圓柱流道和一個(gè)豎直圓柱流道相貫而成。模型的尺寸即為實(shí)際構(gòu)建尺寸，其主要的結(jié)構(gòu)尺寸為入口管徑200mm、長(zhǎng)176mm；封頭為瓜皮式結(jié)構(gòu)，直徑308mm、長(zhǎng)905mm。出口通道尺寸為9.5mm×285mm，數(shù)目為15個(gè)，呈對(duì)稱分布。封頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 原型封頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 原始模型的CFD模擬

2.1 模型建立

使用SolidWorks建模軟件參照?qǐng)D1對(duì)封頭進(jìn)行建模。

2.2 網(wǎng)格劃分

1)整體網(wǎng)格處理

本文對(duì)原始封頭進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，也就是基于八叉樹(shù)算法的四面體網(wǎng)格。其中網(wǎng)格的最大尺寸為10mm，在壁面處進(jìn)行邊界層處理。

2)邊界層網(wǎng)格處理

在近壁區(qū)，流動(dòng)情況變化很大，特別是在黏性底層，流動(dòng)幾乎是層流流動(dòng)，湍流應(yīng)力幾乎不起作用，因此湍流模型在此處的模擬精度很低。對(duì)此本文對(duì)邊界層的處理利用了壁面函數(shù)法，邊界層網(wǎng)格的層數(shù)為3，第1層網(wǎng)格的高度為1.5mm，增長(zhǎng)率為1.2。

3)局部網(wǎng)格加密處理

由于封頭出口的微型通道的寬度為9.5mm，稍微小于最大網(wǎng)格尺寸，所以在微型通道處的網(wǎng)格顯得十分稀疏，這樣不能真實(shí)地反映出口處的流場(chǎng)情況。本文采用調(diào)整網(wǎng)格密度方法對(duì)15個(gè)微型通道處網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密策略為pure refinement，迭代次數(shù)為2次。最終網(wǎng)格劃分效果參見(jiàn)圖2。

圖2 原型封頭網(wǎng)格劃分效果圖

2.3 求解條件

依據(jù)CFD邊界條件選用準(zhǔn)測(cè)和實(shí)際換熱器的工作情況，設(shè)置計(jì)算模型的邊界條件為：進(jìn)口面為速度入口條件；出口面為壓力出口條件；其余面為壁面。

工作介質(zhì)選擇標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣和水的混合物，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.7894×10-5kg/(m·s)，水密度為998.2 kg/m3，黏度為1.003×10-3kg/(m·s)，湍流模型選用k-ε模型，多相流模型為歐拉模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；進(jìn)口速度為6 m/s，出口壓力是0.1 kPa。

分離求解算法采用的是SIMPLE算法，離散化方法通量采用二階迎風(fēng)格式。

由于多相流模擬難度大，故設(shè)置收斂殘差為10-3，迭代步數(shù)2500。

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

本節(jié)分析網(wǎng)格的疏密程度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響，從而在計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)之間尋求最佳的平衡點(diǎn)。網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證采用本節(jié)介紹的原始封頭的計(jì)算模型。表1列出了在不同網(wǎng)格數(shù)量下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

表1 不同網(wǎng)格數(shù)目下原始封頭計(jì)算結(jié)果

分析表1中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，各個(gè)計(jì)算結(jié)果均發(fā)生了變化，但是當(dāng)網(wǎng)格數(shù)目從684399增加到1130588時(shí)，結(jié)果的變化幅度要遠(yuǎn)小于網(wǎng)格數(shù)從195697增加到684399時(shí)結(jié)果的變化幅度。所以認(rèn)為當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到684399時(shí)，已經(jīng)滿足計(jì)算要求，再增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算精度沒(méi)有較大的提升。同時(shí)考慮到計(jì)算時(shí)間，最終選擇網(wǎng)格數(shù)為684399，與之對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格最大尺寸為10mm。

2.5 計(jì)算結(jié)果

在上文指定的入口工況下，對(duì)建好的模型進(jìn)行CFD模擬，通過(guò)改變氣液比和入口流速可以得到多組數(shù)據(jù)，下面通過(guò)一組數(shù)據(jù)來(lái)描述原始封頭物料分配情況。

圖3為氣體所占體積分?jǐn)?shù)為0.2，兩相入口流速均為6 m/s條件下，水和空氣的速度云圖及組分分布圖。

由圖3，得到以下幾個(gè)結(jié)論。

圖3 空氣和水的速度云圖及組分分布圖

1)從空氣和水的組分圖中不難看出，兩相流體集中區(qū)域相同，稀少區(qū)域也相同，水和空氣有著極其相似的流動(dòng)特性，不會(huì)因?yàn)閮上嗷旌隙兴鶇^(qū)別。

2)水速度云圖所示的截面流動(dòng)情況和單相流流動(dòng)相似。從圖中可得，在正對(duì)入口管的地方，流速較大，流體在入口管中沒(méi)有速度差異，而流體從入口管進(jìn)入封頭后有著很明顯的速度下降，并且速度分布沿中軸線對(duì)稱分布，封頭內(nèi)部?jī)蓚?cè)流體流速與中軸處流體速度有著明顯的界線，這樣速度差異的產(chǎn)生根本原因就在于流體從入口管進(jìn)入封頭的過(guò)程中，流場(chǎng)的當(dāng)量直徑發(fā)生突變，流動(dòng)截面從圓形突變到矩形，從而使流體主要集中在圓形小范圍內(nèi)，封頭內(nèi)兩側(cè)流體分布較少。

3)觀察兩相速度云圖的出口狀況，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同點(diǎn)，流體在中心處存在一定的空洞區(qū)域，即速度急劇下降，分析原因可能是在中部出口處存在一定的漩渦，導(dǎo)致大流量出口處形成小范圍的死區(qū)，影響了流動(dòng)。

4)觀察15個(gè)出口通道，流體在中部通道較為集中，從中間向兩邊逐漸減少，以至于在云圖上顯示兩邊近6個(gè)通道流速極低。這說(shuō)明在原型封頭中，流體流動(dòng)在逐漸均勻化，由于封頭的軸向尺寸過(guò)短，流體無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)散，影響整體流動(dòng)均勻性。

為了進(jìn)一步研究流動(dòng)的均勻性，在觀察云圖的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)通過(guò)15個(gè)通道的出口流速直觀地顯示出原型封頭的兩相流流動(dòng)情況。圖4為與圖3相同工況下的出口流速圖?？v坐標(biāo)為流速，橫坐標(biāo)從左到右分別對(duì)應(yīng)15個(gè)通道。

圖4 氣體體積分?jǐn)?shù)0.2時(shí)兩相出口速度

由圖4可得如下結(jié)論。

1)對(duì)于原型封頭，其出口流速呈對(duì)稱分布，且變化非常大。以空氣而言，從1號(hào)通道到2號(hào)通道，流速下降。從2號(hào)通道到8號(hào)通道，流速總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升的趨勢(shì)先減小后增大。在8號(hào)通道流速到達(dá)最大值。水與空氣的變化趨勢(shì)相似，只是在5號(hào)通道到11號(hào)通道沒(méi)有空氣變化的幅度大。圖中流速的變化明確地表明了在原始封頭結(jié)構(gòu)中，中心區(qū)域的流量分配要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于兩側(cè)的流量分配，進(jìn)一步說(shuō)明了原始封頭結(jié)構(gòu)的不合理性。

2)對(duì)同一通道而言，空氣的流速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水的流速。同樣的進(jìn)口速度，同樣的流動(dòng)特性，但在出口處有著明顯的速度差異。圖中兩相的速度差異不僅僅是因?yàn)樗涂諝獾乃俣然?，同時(shí)是空氣相對(duì)于水更好的可壓縮性從而使空氣在受壓縮時(shí)通過(guò)通道產(chǎn)生較高的流速，進(jìn)一步說(shuō)明了兩相流的物流分配比單相流更復(fù)雜。

2.6 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的正確性，本文重建了文獻(xiàn)[11]中的原型封頭模型，并利用本文的計(jì)算模型進(jìn)行了CFD計(jì)算。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)[11]中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文所使用的計(jì)算模型的正確性。圖5是CFD計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比情況。

圖5 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

3 改進(jìn)模型的CFD模擬

3.1 封頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

a) 改進(jìn)型封頭的S彎設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)原型封頭的數(shù)值模擬，得出以下特點(diǎn)：1)原型封頭的結(jié)構(gòu)是由一個(gè)小圓柱和一個(gè)大半圓柱相貫而成，在相貫的地方存在幾何突變，容易加劇流體的湍流和引起漩渦；2)原型封頭促使流體直接從小圓形截面進(jìn)入到大矩形截面，其中不存在任何過(guò)渡，所以流場(chǎng)的當(dāng)量直徑存在突變；3)對(duì)于原型封頭，中心流道流體的水力路徑很短，也就是封頭的軸向尺寸，即330mm，如此短的距離流體很難及時(shí)地向兩側(cè)通道分散，必然造成分配的不均勻。

通過(guò)總結(jié)原型封頭的一些特點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)型封頭結(jié)構(gòu)。改進(jìn)型封頭主要有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：①摒棄了小圓柱入口段，采用圓面向矩形面的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，不僅有效地減少了幾何突變，而且采用過(guò)渡形式有利于引導(dǎo)流體向兩側(cè)流動(dòng)，理論上可以減輕分配不均勻；②相對(duì)于原始封頭的瓜皮式結(jié)構(gòu)，改進(jìn)型封頭采用S彎形式的流道設(shè)計(jì)，其流線型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不僅可以減少流體的分離和漩渦現(xiàn)象，而且S彎較大程度上延長(zhǎng)了水力路徑，使得流體能更充分的向封頭兩側(cè)發(fā)展，從而減輕分配不均勻。③在改進(jìn)型封頭中，進(jìn)出口結(jié)構(gòu)尺寸和封頭軸向長(zhǎng)度保持與原始封頭相同；S彎的設(shè)計(jì)依靠徑向長(zhǎng)度的增加。

b)改進(jìn)型封頭的描述

本文依據(jù)上述的設(shè)計(jì)理念提出改進(jìn)型封頭，以下為詳細(xì)的描述。

封頭結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖6。在該封頭中，S彎采用圓弧加直線段的組合方式。起始段是半徑為R1=85mm的1/4圓弧，中間段是一段長(zhǎng)為200mm的豎直直線段，結(jié)束段是半徑為R2=155mm的1/4圓弧，如圖7所示。該封頭的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但是原弧段對(duì)于流體的流動(dòng)有較好的引導(dǎo)作用。S彎的方程如下。

圖6 改進(jìn)型封頭結(jié)構(gòu)圖

圖7 改進(jìn)型封頭軸向截面

上圓弧+直線段組合曲線：

(1)

下圓弧及直線段組合曲線是通過(guò)上圓弧及直線段組合曲線平移及旋轉(zhuǎn)得來(lái)，這里不再列方程組。

3.2 改進(jìn)型封頭CFD計(jì)算

由于改進(jìn)型封頭存在過(guò)渡段和S彎段，總體來(lái)說(shuō)其結(jié)構(gòu)是較為不規(guī)則的，所以選擇四面體網(wǎng)格來(lái)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行離散處理。網(wǎng)格最大尺寸為10mm；網(wǎng)格數(shù)為1512380；邊界層的處理同原始封頭。整體和局部的網(wǎng)格示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 改進(jìn)型封頭網(wǎng)格劃分

改進(jìn)型封頭的求解條件和原始封頭一致，此處不再贅述。

3.3 同工況下改進(jìn)型封頭與原始封頭比較

圖9給出了在進(jìn)口速度為6m/s、氣體所占體積為0.2%的條件下，原型封頭和改進(jìn)型封頭的出口流量分布。

圖9 空氣速度分布

從圖9中可以看出，原型封頭出口流速分布極不均勻，中部出口流速高達(dá)11m/s，兩側(cè)最低達(dá)到7.5 m/s，整體波動(dòng)極大。改進(jìn)型封頭在改善物流分配均勻性方面起到了明顯的作用，在圖中曲線，波動(dòng)明顯減少許多，各個(gè)通道流速基本穩(wěn)定在8.2 m/s。如采用15個(gè)通道速度的總體標(biāo)準(zhǔn)差與它們平均流速的比值(定義為相對(duì)不均勻度)來(lái)表征物料分配不均勻性，則改進(jìn)型封頭對(duì)空氣的分配相對(duì)不均勻度降低了88.66%，這表明改進(jìn)型封頭確實(shí)要優(yōu)于原型封頭。

圖10顯示原型封頭和改進(jìn)型封頭水的出口速度分布。相比于空氣的速度分布，水的速度波動(dòng)為4.5～6.75 m/s，整體在中部流動(dòng)均勻，但兩側(cè)通道流速落差極大。改進(jìn)型封頭速度穩(wěn)定在4.75 m/s，對(duì)各個(gè)通道都有著很好的物流分配。定量來(lái)看，改進(jìn)型封頭對(duì)水的分配相對(duì)不均勻度降低了90.82%。但同時(shí)改進(jìn)型封頭也有一定的缺點(diǎn)：在一定程度上減少了出口水動(dòng)能，由于彎道阻力損失，水出口平均速度比原型封頭出口平均速度較低。

圖10 水速度分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)板翅式換熱器原始封頭內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行CFD計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)物料在其出口處的流速分布極不均勻，因此采用過(guò)渡段與S彎設(shè)計(jì)對(duì)原型封頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對(duì)改進(jìn)型封頭再次進(jìn)行CFD計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：改進(jìn)型封頭對(duì)空氣的分配相對(duì)不均勻度降低了88.66%，改進(jìn)型封頭對(duì)水的分配相對(duì)不均勻度降低了90.82%。因此改進(jìn)型封頭可顯著改善物料的出口分配不均勻度。