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《機械工程與自動化雜志》2014年第二期

1邊界條件和計算方法

如圖1所示，面1～4設置為對稱面，流道的兩個端面設置為周期性邊界，介質為水，介質的入口溫度為300K。管壁面設置為恒溫邊界，溫度為400K，且為標準無滑移壁面。利用Fluent進行模擬計算時，采用3D、穩態、基于壓力的隱式求解器。湍流模型選用標準的κ－ε模型，并且包含能量方程，壓力選用標準的離散格式，其他的如動量、湍動能和耗散率選用二階迎風離散格式。在進行流場數值計算時選用SIMPLE算法。從文獻［10］分析可以看出，采用這種周期性模型的數值結果誤差在工程允許范圍內，能很好地反映換熱器殼程流動和傳熱特性。

2計算結果與分析

2．1場分析對殼程流道雷諾數為29974的工況進行了計算，流道X＝0截面上的壓力場、速度場、溫度場和角度場（溫度梯度與速度矢量的夾角）等值圖見圖3。從圖3（a）可以看出，流體在經過大小孔折流板大孔與換熱管形成的環隙時，壓力梯度比較大，而通過環隙后，壓力梯度變小，說明殼程流體阻力主要集中在孔板附近。從圖3（b）的速度場可以看出，當殼程流體流過大小孔折流板時，在環隙處形成高速流體，沖向相鄰管之間的區域，加快了管表面流體的流速，強化了管壁傳熱，且在折流板背面形成低壓區，如圖3（a）所示，流道兩側管間的高壓區流體向低壓區回流，增加了流體的湍動與混合，從而達到了強化傳熱的目的。由圖3（c）可知，在靠近管壁附近，殼程流體的溫度梯度比較高，而在流體內部溫度分布比較均勻，說明傳熱效果比較好。分析圖3（d）所示的角度場可以得知，單元流道的協同角在流道中心區域較小，說明在中心區域協同度比較好。

2．2雷諾數和折流板結構參數對單元流道角度場平均協同角的影響圖4和圖5分別為雷諾數和折流板結構參數變化對單元流道角度場平均協同角的影響。從圖4可以看出，隨著雷諾數的增大，即湍流程度的增加，單元流道角度場的平均協同角逐漸降低，說明隨著雷諾數的增加，其傳熱效果越好。并且在雷諾數超過30000后，單元流道角度場的平均協同角趨于平緩。從圖5可以看出，隨著大孔直徑和板間距的增加，單元流道的平均協同角也逐漸增大，說明在大孔直徑和板間距較小時，單元流道的協同度會更好，即傳熱效率更高，這與文獻［4］中的結論相吻合，即隨著大孔直徑和板間距的減小，大小孔折流板換熱器傳熱效果更好。

3結論

本文應用有限元軟件ANSYS－Fluent建立了大小孔折流板換熱器周期性的單元流道模型，通過對該模型的分析，揭示了大小孔折流板換熱器內部流道的壓力、溫度、速度和角度場的分布規律，并且從角度場的分析得知，隨著雷諾數的增大，大小孔折流板換熱器殼程角度場的平均協同角逐漸降低，其傳熱效果越好；而當大孔直徑和板間距較小時，大小孔折流板換熱器殼程的場協同度較好，具有更好的傳熱性能。

作者：孫海陽單位：（太原理工大學化學化工學院