背景描述

換熱器是工業常用的熱交換設備,傳熱計算是換熱器設計中最重要的環節之一。一般情況下,換熱器的傳熱設計主要依據從試驗總結出來的經驗關聯式。由于試驗工況有限,因此各種關聯式都有一定的適用范圍,很多特殊的工況往往找不到合適的關聯式來進行計算。此外,采用關聯式進行計算只能得到平均值,無法得到各項參數在時間和空間上的分布。

隨著計算機技術的發展,CFD數值模擬成為了換熱器設計的一種重要手段,但隨著眾多CFD軟件的出現,對于結構和流道非常復雜的換熱器而言,要想準確、快速地進行換熱器的流場、溫度場的計算,選擇哪一種高效、準確的CFD分析方法就顯得比較重要。

CFD分析技術難點

換熱器結構復雜,流道眾多,比如管殼式、管翅式換熱器,結構都異常復雜,必然會導致大量的網格,耗費大量的計算資源,即計算難點包含如下兩方面:

• 網格問題:以管翅式換熱器為例,其包含大量的翅片和銅管,要準確模擬管翅式換熱器的流場,在不簡化結構的前提下,需要數量巨大的網格,網格數量一般會達到千萬級別甚至更高。對于傳統的CFD軟件而言,網格數可能會更多,最終導致計算無法進行,所以更多的是采用二維的模擬方式。對于三維CFD仿真,則要求所采用的CFD軟件具有高效的網格生成技術和較好的局部自適應加密功能。

• 求解時間:換熱器本身模型復雜,網格數即使經過控制也將達千萬級,這就要求所采用的CFD軟件具有快速、穩定的求解器,才能準確有效地對換熱器流場進行預測和評估。

換熱器CFD分析解決方案

采用面向工程開發的CFD軟件Simerics可以解決上述換熱器仿真問題,其具備的優勢如下:

• Simerics基于二叉樹方法的笛卡爾網格技術非常實用于模型復雜的換熱器,Simerics利用最小網格尺度控制,可以自適應加密復雜結構的網格,而對于簡單結構部分則按照正常的網格尺寸劃分,這樣既加密了復雜流道的網格,精確地表達了原始幾何,同時又保證了其他部位的網格數量,控制了總網格數;

• Smerics內置的求解器是在通用CFD求解器基礎上經過優化而成,Simerics將最新的數值技術與其專有的算法相結合,配合Simerics獨特的網格優勢,建立了一個比傳統CFD軟件更快速、更穩健的求解器,因而求解速度更快、更穩定。

案例介紹

• 管殼式換熱器仿真分析案例

如下為某管殼式換熱器分析案例,幾何結構及網格劃分如下所示,網格由Simerics自動網格生成工具生成,網格數量500萬。

管殼式換熱器:管程、殼程幾何結構

管殼式換熱器內部網格截圖

管程壓力分布

殼程溫度分布

換熱器內部截面溫度分布

• 管翹式換熱器仿真分析案例

管翹式換熱器包含大量翅片和銅管,幾何結構非常復雜。Simerics可以便捷的生成復雜結構的網格,可以直接模擬翅片,本案例中管翅式換熱器網格數量6500萬。

管翅式換熱器溫度場分布

管翅式換熱器流線動畫

• 油汀換熱器仿真分析案例

油汀換熱器主要由密封式電熱元件、金屬加熱管、鐵散熱片、控溫元件、電源開關、指示燈等組成。這種取暖器是將電熱管安裝在散熱片的腔體內部,在腔體內電熱管周圍注有導熱油,導熱油被加熱后,上升到腔體上部,沿散熱管或散熱片進行對流循環,并將表面熱量輻射出去,加熱空間環境。

下圖為某油汀換熱器的幾何模型,該實例模型只選取了2個散熱片。油汀由其內部的加熱裝置加熱,然后通過散熱片散熱從而使室內溫度升高。

油汀幾何結構及加熱裝置

采用Simerics網格生成器對該油汀模型進行網格劃分,網格總數約為100萬。

油汀內部網格截圖

油的密度、粘度、比熱以及導熱系數都是隨溫度變化的,在計算中都設定為溫度的函數。

加熱裝置附近豎直剖面溫度分布云圖

加熱裝置附近水平剖面溫度分布云圖

油汀豎直剖面溫度分布云圖

小結

• Simerics的優勢解決方案可以解決各類結構復雜的換熱器的仿真分析,基本不用對換熱器結構進行簡化,降低了仿真的難度,提高了分析效率,并具有高精度的計算結果;

• 可應用于不同結構的換熱器,無論是結構相對簡單的管殼式換熱器,還是結構復雜的管翅式換熱器、板式換熱器等,均能較好適應;

• 計算效率高,后處理數據提取便捷且數據完備。可在短短幾天時間內獲得換熱器的初步性能結果,并自動輸出壓力、速度、溫度及其響應曲線等數據,為設計及優化提供參考。