计算流体力学——翅片管换热器Fluent数值模拟课件

LOGO计算流体力计算流体力学学翅片翅片管换热器管换热器FluentFluent数值数值模拟模拟计算流体力学翅片管换热器Fluent数值模拟第1页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟问题描述：管翅式换热器主要由传热管和翅片组成，通常外部流体介质为空气。翅片与传热管间是钎焊连接，可以看作管道表面的延伸。翅片的形式有很多种，比如平直式、波纹式、多孔型等。本文将对均匀倾角波纹翅片换热器进行数值模拟。换热器示意图计算区域侧面示意图计算区域俯视图第1页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟问题描述：管翅式换热器2均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟第2页名称尺寸名称尺寸翅片纵向长度36mm翅片管子横向间距12.7mm翅片间距1.8mm翅片管外径9mm翅片厚度0.12mm翅片管壁厚0.3mm翅片管子纵向间距18mm波纹倾角18.43模模拟均匀均匀倾角波角波纹翅片翅片换热器尺寸器尺寸模模拟均匀均匀倾角波角波纹翅片翅片换热器器边界条件界条件模拟均匀倾角波纹翅片换热器尺寸模拟均匀倾角波纹翅片换热器尺寸：计算区域侧面示意图计算区域俯视图均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟第2页名称尺寸名称尺寸翅片纵3第3页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟名称条件名称条件入口流体空气入口温度308k入口速度3m/s换热管温度318k翅片材料铝翅片温度318k模拟均匀倾角波纹翅片换热器边界条件模拟均匀倾角波纹翅片换热器边界条件：基本假设：基本假设：辐射换热忽略不计；不考虑换热管轴向的传热、换热管排间的逆向导热影响，只考虑与换热管垂 直方向上通过翅片的换热；低雷诺数下，认为空气是不可压缩流体；翅片沿换热管方向均匀分布；翅片导热系数无限大，即翅片效率为1；空气进口速度、温度恒定；忽略翅片与管子外壁面的接触热阻，与管子温度相同；翅片端部绝热第3页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟名称条件名称条件入口流4第4页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟在在Gambit 中建立模型中建立模型启动Gambit，选择求解器fluent5/6首先根据上面的翅片尺寸建立一个波纹形平面，然后Sweep faces，拉伸成体，即沿线段拉伸成三层体。如右图所示：第4页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟在Gambit 中建立5第5页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟根据尺寸建立同心圆柱体，通过剪切得到环状体，通过复制移动得到计算区域图形，如右图：第5页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟根据尺寸建立同心圆柱体6第6页先将每层的体进行组合，然后分层分别于两个环体进行剪切，注意剪切过程中retain和connect的应用，最终保留环体的壁厚，如下图：均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟第6页先将每层的体进行组合，然后分层分别于两个环体进行剪切，7第7页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟边界条件设定：边界条件设定：NameTypeInletVELOCITY_INLEToutletOUTFLOWSymmetry1SYMMETRYSymmetry2SYMMETRYperiodic1PERIODICPeriodic2 periodic7PERIODICPeriodic8PERIODICSpecify Boundary TypesNameTypenew_finSOLIDnew-tube1SOLIDnew-tube2SOLIDSpecify Continuum Types第7页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟边界条件设定：Name8第8页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟网格划分网格划分：名称ElementsTypeInterval size规则体块（上）HexMap0.2规则体块（下）Hex/wedgeCooper0.2不规则体块Hex/wedgeCooper0.2为了保证网格质量，将模型进行分块划分网格，与换热管无接触的即规则体网格质量检查：基本合格倾斜度92%，长宽比5导出mash文件第8页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟网格划分：名称Elem9第9页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟 fluent设置设置：检查网格 DisplayCheck 最小体积不能为负值设置单位 DisplayScale 本例以毫米为单位 显示网格 DisplayGrid第9页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟 fluent设置：检10第10页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟选择计算模型：选择计算模型：设置求解器 Display-Models-solve保持默认设置能量方程 Display-Models-Energy选中 Energy Equation设置操作环境本例不考虑重力影响，保持默认设置流体物理属性本例文空气 保持默认即可第10页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟选择计算模型：设置求11第11页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟设置边界条件需要对流体、入口、出口、周期性边界、对称性边界、固壁和连续区域类型中的翅片和管壁按照前面的给定条件一一设定求解参数设置Solve-Controls-Solution选择simple方法，二阶迎风格式打开残插图Solve-Monitors-Residual选中Option下的Plot，在计算式动态显示残差流场初始化 Solve-Initialize开始迭代 Solve-Iterate 迭代次数是500第11页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟设置边界条件需要对流12第12页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟残差图显示计算收敛，此时迭代到225步在入口处，在最窄流通面的两侧流体速度升高很快，等值线分布较为密集。在管子后侧，流体边界层发生分离，形成回流区，速度较低。速度分析：第12页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟残差图显示计算收敛，13第13页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟温度分析：在迎风侧，温度场分布较密集，温度递增显著，此时流体与壁面的温差较大，换热强烈。在背风侧，温度场分布稀疏，温度变化不大，流体与壁面温差较小。在管子背风面尾迹区，由于发生扰流脱体而产生回流，气温较高，接近管壁温度，换热最弱。温度分布云图温度等值线图第13页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟温度分析：在迎风侧，14第14页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟压力分析：波纹翅片表面连续起伏对流体的阻滞作用和扰动作用比较大，产生的能量损失比较大。在最窄流通面的两侧压力先降低后回升，在近壁出甚至出现负压区，原因是流体在扰流圆管时，流通面的变化引起流速先增加后减少，导致气体静压先减小后增加。压力分布云图压力等值线图第14页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟压力分析：波纹翅片表15第15页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟 在使用Fluent软件模拟管翅式换热器内的流动与换热的过程中，不仅熟悉了模型的建立和软件操作的基本流程，还对加深了对原来所学流体和传热知识的理解，以上的速度、和温度的等值线图清晰的显示了翅片间空气中间层的速度场分布和温度分布，为进一步强化传热提供了优化的依据和方向。总结：本文的难点在于模型的建立和边界条件的设定。第15页均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟 在使16LOGOThank You!