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      哈雷釬焊板式換熱器
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      板翅式換熱器入口結構內流場的數值模擬

      點擊:1613 日期:[ 2014-04-26 22:14:24 ]
                                  板翅式換熱器入口結構內流場的數值模擬                                  文鍵   厲彥忠  周愛民 張科                    (西安交通大學能源與動力工程學院  陜西  西安 710049)     摘要:利用PIV粒子圖像測速儀和CFD數值模擬的方法,對板翅式換熱器入口結構改進前后的流場進行實驗測量和數值計算.獲得入口結構內部不同剖面處的流場分布圖,發現了流場的流動與分布規律.由于原始入口結構的不合理導致漩渦、回流等現象存在,使得其內部軸向以及徑向的物流分配極不均勻.而對于在入口結構1/2高度處添加開孔分流板的改進型結構,不僅在換熱器入口結構長度方向( 方向)上,而且在所測截面的Y方向,物流分配的均勻性有了很大改善,流場分布更加合理.而且,實驗結果和數值模擬結果相符合.     關鍵詞:板翅式換熱器;粒子圖像測速;數值模擬;結構優化     中圖分類號:TK124 文獻標識碼:A 文章編號:1671—4512(2006)07—0005—04     1.實驗系統     板翅式換熱器封頭結構實驗系統由風路系統和PIV系統所組成,如圖1所示.在風路系統中,采用風機上游供氣,由孔板流量計測量供氣的流量.孔板上下游各有一段等徑直管作為穩定段,不僅利于管道內流量的測量,而且可以使得封頭入口截面的速度場盡量變得均勻.為了保證示蹤粒子在氣流中均勻分布,應盡量減少其對原始流場的干擾.實驗中在距離測試區域較遠的上游—— 風機人口處加入示蹤粒子,使煙霧和氣流一同進入管道.本實驗采用美國TSI公司生產的二維PIV測試系統,其組成有激光光源(集成式Nd YAG雙激光器)、激光傳輸光臂(臂長1.8 nl,激光頭包含柱面鏡和球面鏡)、圖像采集器(630046型PIVCAM10 30攝像機)、同步控制儀和圖像數據分析系統(PIV系統的控制和數據分析軟件)等幾部分.PIV 系統使用了跨幀技術,它可使采集一對圖像之間的時間間隔在1s以內,使PIV獲得的瞬態流動的速度矢量場.通過批處理操作,快捷地得到流動的瞬時速度矢量場、渦量場等參數分布.                              1.1 實驗模型的制作     實驗中所用的試件模型均采用有機玻璃按照與原型1:1的比例制作,保證該模型能夠盡可能精確地反映原型的性能.由文獻[2]可知,在原始封頭的出口截面上,大部分流體都是從封頭人口管對應的圓形區域內噴射而出,流速由中間向兩端遞減,并以人口管軸線成對稱分布.因此,若根據原始封頭的流場分配情況改變封頭出口上游的流體流通面積,則可使封頭中心區域流體流通面積縮小,而周邊區域的流通面積逐漸增大,在理想的情況下,每個微元流通面積上通過的流體量是相等的,而且封頭出口處的物流分配的均勻性會提高,進而改進換熱器內部的物流分配情況.根據上述改進思想,提出了改進型封頭結構,即在原始封頭結構的1/2高度處,添加一塊開孔分流板.圖2為開孔分流板的結構示意圖(圖中單位為ram),根據經驗擋板上的開孔直徑分別為小孔10mm,中孔20 mm 和大孔30 mm 三種,由中軸線到周邊逐漸增大,且呈錯排分布.在實驗中制作了兩條與擋板等長的有機玻璃導槽,對稱粘貼在原始封頭結構1/2高度處,以利于擋板的安裝與固定.                          1.2 觀測區域的分割及觀測截面的選取     由于測量截面尺寸比較大,因此PIV片光源照射區域無法同時照亮整個截面.為了保證PIV的測量分辨率,每次拍攝的流場范圍只有150 minx 150 mm左右.而希望觀測封頭的流場區域卻很大,測量區域達300 mm×150 mm.考慮到封頭結構的對稱性,假定其內部流場分布也是對稱的.因此,如圖1所示,選擇其觀測視場為封頭截面的一半即1/4圓,測量沿著封頭長度方向上不同截面處1/4圓范圍內的流場分布情況.實驗選取封頭長度的一半,沿著封頭長度方向,從封頭中軸線到周邊,依次測量了11個截面,研究其流場分布情況.文中選取如圖3所示的3個具有代表性的截面分析其流場分布情況.截面1處于封頭的中軸線上且正對封頭的人口管,截面2偏離人口管,截面3離中軸線最遠,處于封頭的周邊.                            2 計算模型的建立     2.1 物理模型     封頭物理模型的尺寸即為實際尺寸,其主要的結構尺寸為人口管徑200 mm、長176 mm;封頭結構直徑308 mm、長905 mm.采用Fluent公司的GAMBIT軟件建立了封頭結構的幾何模型,用混合網格對幾何結構進行網格劃分,并且在壁面邊界等參數變化較大的地方對網格進行適當的加密.     2.2 數學模型     在對封頭內部的流場建立數學模型時作了如下基本假設:計算區域內的流動是穩態的;流體流動滿足Boussinesq假設;計算區域中的流體為不可壓縮的牛頓流體.在對封頭流場進行數值模擬時,使用混合長度模型、K.L模型和K-E模型分別進行了計算.通過比較得知,使用K.e模型計算封頭流場時精度最高.同樣情況下,混合長度模型計算結果精度較低,K.L模型居中.而三者的計算耗時相差不大.從計算精度和計算經濟性兩方面考慮,本文使用e模型作為所求問題的湍流模型.連續性方程、動量方程、K 方程和e方程見參考文獻E63.采用有限容積法對湍流流動的各控制方程進行離散各變量的離散化方程組采用TDMA逐線掃描低松弛迭代法求解,對連續方程和動量方程的聯立耦合迭代求解則采用半隱式的SIMPLER算法.邊界條件如下:給定進口Re一1.0×10 ;出口截面背壓夕一101 325 Pa;壁面條件,四周的墻體絕熱,無速度滑移;其殘差絕對值小于10一.     3 數值模擬與實驗結果分析和對比     3.1 原始封頭     圖4(a)為截面1的數值模擬和PIV實驗所得結果.從圖中可以看出,在Y方向正對人口管的地方,流速較大,上游流線平行流向出口.而偏離人口管的地方,主要依靠上游的流體分流而來,且形成明顯的漩渦,流體在此處因為回流形成一個死區,導致在Y方向上物流分配極不均勻.主要是由于流體邊界突然擴大,流動狀態隨之發生急劇改變,主流脫離邊壁從而形成漩渦.此漩渦會引起機械能轉化為熱能,從而導致機械能的損失.而且,漩渦所消耗的能量較大,這是因為除了摩擦以外,尚有漩渦與主流之間的質量交換的緣故.由于封頭模型的人口管管壁較厚(8 mm)且為弧形,不適合PIV觀測,因此實驗所得此截面的觀測區域較之數值模擬偏?。?                     截面2沒有正對人口管,隨著截面與人口管距離的增大,小漩渦逐漸增大成為大尺度漩渦并向四周擴散,沿流向拉伸明顯(圖4(b)).可見,在封頭內部這部分流體主要依靠流體的漩渦運動擴散而來.這是因為流體在出口截面橫向壓力梯度的作用下向封頭兩側流動,小部分流體剛好到達出口并沿著出口通道流出,大部分流體碰到邊壁,流動受到阻礙,脫離邊壁形成漩渦并向周邊擴散.截面3處于距離封頭人口管最遠的周邊截面處,由于大部分流體在到達這個出口截面前已經分流掉了,流動能量已被漩渦消耗,流動速度降低,形成速度回流區,因此微通道出口的流體流量很低(圖4(c)).這個區域成為流場低速區,且由于流體與邊壁的粘性作用,漩渦消失且流線基本與出口微通道平行.     由以上的數值模擬以及PIV 實驗結果分析可知,對于改進前的原始封頭內部,物流分配主要依靠流體形成的漩渦流場,利用出口截面上的橫向壓力梯度進行分配.因此,人口管附近的地方流量大,而遠離人口管的周邊截面流量偏?。粌H物流分配不均勻,而且流體形成的漩渦會引起較大的能量損失.所以,需要對此封頭進行結構改造,使得其出口截面物流均勻分配.     3.2 改進型封頭     流體從封頭人口管面積突然膨脹到孔板前面積,壓力下降,有兩個分量,一個是不可逆作用造成的壓力損失,另一個是速度變化造成的壓力降.流體到達孔板處有兩種情況,剛好到達開孔處,經小孔流出,節流膨脹;剛好到達孔板壁處,流動被阻礙,根據Bernoulli方程,壓力升高,形成一個橫向的壓力梯度,導致流體向周邊流動,最后從其他dq'1.處流出.孔板出口的流體速度提高,有助于流體進行均勻分配.使得流體在到達封頭的出口之前,就已經均勻分配.截面1正對人口管的截面,與結構改進前相比,在Y方向上物流分配均勻,流體的死區消失(圖5(a)).在Y方向上,中間正對人口管的出口截面和沒有添加擋板相比,流速明顯降低,而偏離人口管的出口截面,流速明顯增大.這是因為,孔板正中的小孔直徑最小,對來流產生的阻力最大,導致了一個橫向的壓力梯度,迫使來流向四周分布,而邊上的dq'L~'L徑比較大,使得分流來的流體順利通過.而且,與結構改進之前相比,孔板前面來流的漩渦消失,因為添加孔板之后,使得此處高度減半,沒有足夠的空間形成漩渦.     截面2偏離人口管,流體在擋板前面形成一個較大的漩渦,通過擋板之后的流體分布均勻(圖5(b)).此截面部分的流體主要依靠擋板分流過來,流體碰到邊壁流動受到阻礙,脫離邊壁在擋板前面流體形成一個明顯的漩渦.流體經過擋板上小孔分流作用之后,在Y方向上流體分布均勻.                      周邊截面3在添加擋板之后,流體的分布情況有了很大改善,截面整體流速增大,流線的方向與出口截面相垂直,直接從微通道流出封頭(圖5(c)).說明,添加孔板之后,抬高了遠離封頭入口的邊界上的微通道出口流量,使得原始封頭內物流分配的不均勻情況有了很大的改善.這是由于擋板壁面的阻礙作用,使得從擋板上小孔位置通過的流體與封頭結構改進之前相比較小,意味著從沒有擋板的兩側位置會有較多流體通過.因此,與改進前相比,流體流速增大,流線方向與出口截面垂直,流體直接從出口微通道流出.     從以上的分析可知,封頭在添加開孔分流板之后,流體經過分流板分配之后再流到各出口截面,流場的不均勻分配情況有了很大改善.不僅沿封頭軸向(z方向)流分配均勻,而且在出口截面的Y方向上,物流分配的不均勻性得到很大的改 善.同時,各截面的流體漩渦與改進前相比大大減少,因此由于湍流耗散引起的能量損失減少,可以抵消一部分由于添加孔板而給封頭帶來的壓力損失,從而使得添加孔板前后,封頭的壓力損失增加不大.     3.3封頭結構改進前后的對比分析     圖6表示的是封頭結構改進前后,物流分配沿封頭長度方向的對比情況(圖中 為出口通道數).考慮到封頭結構的對稱性,假定封頭兩側物流分配情況是相同的,因此出口通道數為21.經比較可以發現:對于添加孔板之后的改進型封頭,物流分配的均勻性改進效果明顯.中間通道流速明顯降低,使得兩側周邊通道的流速明顯提高,從而整體流速分配均勻,達到結構改進的目的.從數值模擬結果和PIV 實驗所得結果的對比可以看出,實驗值與計算值趨勢一致且相差不大.引起誤差的原因主要在于封頭入口管來流速度的差異,數值模擬假定入口管來流為穩態流動且在整個截面上速度相等,而在實際PIV實驗操作中,由于沒有添加穩壓罐,風機供氣不可能達到穩流狀態,且在整個入口截面上速度不可能完全相等.除此之外,還有擋板安裝導槽的影響.在數值計算的物理模型建造中,完全忽略了導槽的影響,而在PIV實驗中,導槽是實際存在的且對流場有一定的影響.                     
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