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使用多孔介质方法的板翅式换热器的流体动力学特性的数值研究
- 摘要
提出了一种数值板翅式热交换器（PFHE）模型，通过使用多孔介质方法研究全尺寸PFHE的流体动力学特性。 基于该模型，研究了流体动力粘度和穿孔翅片对PFHE的流量分布和压降的影响。 结果表明，PFHE的流量分布通过增加流体动力粘度或在每个翅片通道中增加穿孔翅片，但是以增加的压降为代价而得到改善。 因此，在各种雷诺数下进一步分析流量分布和压降之间的关系。 基于这些结果，导出流量分布，压降和雷诺数之间的相关性。 最后，提出了两种策略，即基于通道的策略和基于报头的策略，并进行数值验证以改善PFHE的流量分布。 我们的结果表明，第一个战略比后者更好。
二、关键词
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计算流体动力学; 流量分布; 穿孔鳍; 板翅式换热器; 多孔介质 |
三、命名
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C1ɛ ε的常数 C2ɛ ε的常数 C1 粘性阻力因子（m-2） C2 惯性阻力系数（m-1） Dh 水力直径（mm） D 直径（mm） F 摩擦系数 Gk 生成k H 翅片高度（mm） K 湍流动能 L 翅片长度（mm） M 质量流量（kg / s） Nr 行数孔 N 翅片通道数 P 压力（Pa） R 孔半径（mm） Re 雷诺数 STD 标准偏差（％） S 源术语 S 翅片间距（mm） T 翅片厚度（mm） U 速度矢量 V 流体速度（m / s） Alpha; 渗透性 Gamma; 扩散系数 Delta;n 孔隙介质厚度（mm） Delta;P 压降（Pa） Ɛ 湍流散逸函数 Mu; 动态粘度（Pa s） Rho; 密度（kg / m3） sigma; 孔隙率（％） alpha;k 湍流Prandtl数 sigma;ɛ 湍流Prandtl数字 Phi; 一般变量 avg 平均值 Eff 有效 T 湍流 i，j 序列号 |
四、介绍
板翅式热交换器（PFHE）以其紧凑性和低重量而闻名，广泛应用于广泛的化学工程应用。典型的PFHE通常由波纹板的层组成，其由平板隔开以产生一系列翅片室。 PFHE的设计是一个复杂的任务，需要考虑特殊要求，如温差，流量分布和压降。在这些因素中，PFHE的流量分布和压降可能对PFHE的热和机械性能具有显着影响。因此，需要以良好的流体动力学特性操作PFHE。
在过去的几十年里，许多理论研究已经确定了热性能和PFHE的流动不均匀性之间的关系。使用连续替代技术，Chiou（1978）提出了一种数学方法，通过考虑流量分布不均的影响来确定热交换器的有效性。 Muuml;ller-Menzel和Hecht（1995）理论上讨论了PFHE中各种流动模式的出现及其对热交换器整体性能的影响。 Ranganayakulu和Seetharamu（2000）分析了基于有限元方法的横流PFHE的纵向热传导和流动非均匀性的综合影响。他们发现，在一些应用中，性能恶化是相当显着的。
近年来，已经采取一些努力来通过使用实验方法来研究这种复杂几何形状中的流体动力学特性。 Jiao，Zhang和Jeong（2003）和Jiao和Baek（2005）对PFHE中的分布器和头配置对流量分布的影响进行了实验研究。研究证明，PFHE中的流量分布可以通过分配器和头部结构的最佳设计而有效地改善。通过使用粒子图像测速（PIV），Wen，Li，Wang和Zhou（2006）研究了PFHE入口内的湍流结构，对三种不同的割台配置实现了不同横截面的流线型和速度等高线图。由于计算流体动力学（CFD）模拟可以提供有效的平台，其中各种最佳设计可以以相对低的成本测试和确定，最近，几个报告已经通过应用CFD技术研究了PFHE的流体动力学特性。 Zhang和Li（2003），Wen，Li，Zhou，Zhang和Wang（2004），Wasewar，Hargunani，Atluri和Kumar（2007）Habib，Ben-Mansour，Said，Al-Bagawi和Al-Mansour ）和Habib，Ben-Mansour，Said，Al-Bagawi和Al-Mansour（2009）对不同修改的集管进行了数值研究，以优化PFHE内的流量分布，模拟表明，PFHE中的流量分布在应用修改的头。 Ismail，Ranganayakulu和Shah（2009）数字地研究了喷嘴和集管方向对PFHE的流体动力学性能的影响，他们的研究表明，集管和喷嘴的方向在交换器性能中起主要作用。
然而，由于PFHE的尺寸和复杂性的增加，模拟实际的全尺寸PFHE是不可行的，其通常需要大量的计算资源和时间。据我们所知，尚未进行通过考虑PFHE内部的实际翅片数目来模拟全尺寸PFHE的研究。多孔介质模型由Patankar和Spalding（1974）提出，已经成功应用于各种应用中（Baker和Tabor，2010; Barigou等，2003; Lappalainen等，2011）。通过在被定义为多孔介质的模型的区域中并入经验确定的流动阻力，可以认为模型的流动流体动力学特性等同于实际几何形状。本文的目的是通过使用CFD技术研究全尺寸PFHE内的流体动力学特性。因此，通过采用多孔介质方法提出了数值PFHE模型。该模型首先通过实验数据验证。基于该模型，然后研究了全尺寸PFHE内的流体动力学特性。最后，提出和数字验证了改善PFHE流量分布的策略。
4.1 解决方案域的几何
图1示出了溶液域的几何描绘，其被划分为三个区域：顶部区域，分布区域和传热区 图2示出了PFHE的实际结构。 它具有总共十六个翅片通道，每个翅片通道对应于两个分配区域和一个传热区域。 流体首先通过入口喷嘴流入集管，然后根据每个翅片通道的流动阻力不均匀地分布到十六个翅片通道中。 分布区域和传热区域均填充有穿孔翅片，如图1所示。 穿孔翅片的主要几何参数列于表1。
图1 PFHE模型的几何描述。 （它描述了PFHE模型的几何形状，其通常由头部部分，分布部分和热传递部分组成）
图2 PFHE的实际结构。 （它显示PFHE内的细节部件，其具有总共16个翅片通道，每个通道填充有穿孔翅片。
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图3 PFHE中的穿孔翅片。 （它显示了穿孔翅片的结构，其特征在于翅片阵列长度，翅片厚度，翅片间距，翅片高度，穿孔直径和孔隙率）。
表格 翅片几何结构。
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翅片阵列长度L（mm） |
翅片厚度t（mm） |
翅片间距（mm） |
翅片高度h（mm） |
直径d（mm） |
孔隙率sigma;（％） |
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50 |
0.3 |
1.4lt; 全文共13032字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[142789]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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