空气换热器数值模拟竞赛报告wangzhibo

空气换热器数值模拟

1、计算设置和边界条件设定网格划分

1.1计算模型

模型的具体尺寸为，设定每排叶片含4个叶片，各排叶片的距离为0.1m，轴半径为0.085m，含叶片的内径为0.3m，外径0.4m。叶片的进流角设定为37°。之所以增加叶片的进流角目的是为了使得换热器内热空气的掺混作用增强，使得叶片及旋转内桶壁的换热效率增强。

第一排叶片口距离热空气的入口距离为0.065m，最后一排叶片与热空气的排出口距离为0.1m。

传热壁面简化设定为5mm厚的铝板。叶片剖面采用如下图1所示的剖面；对于计算叶片的排数，受到计算资源的限制，只可以通过计算有限的叶片排数，在合理的旋转速度范围内进行计算。

图1计算中使用的翼型剖面

1.2计算设置

采用MRF方法计算旋转部分的流动，对旋转部分的冷空气和热空气分别设定好旋转速度、旋转区域所含的运动壁面与旋转区域的运动一致。旋转部分与非旋转部分采用设置交界面interface的方法。

①室外冷空气的入口、出口设定：

入口设定为压力入口、出口设定为压力出口；

②室内热空气的入口、出口设定：

同样入口设定为压力入口，出口设定为压力出口；

具体边界条件设定如下图2所示。

③壁面设定

外部壁面设置为绝热内部旋转壁面设定为厚度为10mm的铝板，并采用与之相应的传热物理参数。

④计算监视

计算模型关注换热效率问题，故在计算过程中监视内部转子的换热系数计算是否计算稳定，若计算稳定那么认为装置的换热计算达到稳定状态。

外部绝热壁面内部换热的壁面

冷热空气出入口边界条件

图2边界条件设定

1.3网格划分

使用非结构化的四面体网格进行网格划分，对所采用的网格划分方法使用了基于gridgen的脚本语言TCL语言进行二次开发结合进行网格剖分。辅助简单的人工网格调整，可快速实现复杂网格的剖分。

2.试算与分析

围绕换热效率、机械效率、风量平衡与优化后的推荐机型等四个问题，首先对空气换热器进行了试算。试算的目的在于初步考察换热器对换热效率、机械效率、风量平衡三个指标的实现程度和所需控制边界的要求。

初步试算与分析发现室外冷空气进入叶片内部的轴流离心旋转部分流动速度较小；流量低，即使采用更为优化的叶片外形和更多的叶片排布或改变内径和外径的尺寸，也难以实现室内外风量的平衡，与热空气实现对流换热的效率低下，换热效果较差。究其原因，是由于室内热空气的排出是利用了风扇的鼓动排气作用，在合理的转速范围内，排气效率要远远大于风扇叶片内部的狭小通道的离心作用而排出的冷空气的排气量，仅利用原型装置不能有效的达到室内外冷热空气的风量平衡。与叶片外部的较高流速的热空气相比而言，叶片内部截面积小，气流通道曲折，在狭小通道内气流速度低，随着叶片排数的增加，叶片内部流动不畅，滞流现象更加显著；试算中调节转子部分的转速使得转子在较大的合理转速范围内运转，仍无法合理的平衡离心部分和轴流部分的通风量，这大大降低了该装置利用冷热空气对流换热的效率。这些结论可通过下述试算结果来说明，具体的试算结果见表1与表2。

表1显示在设置5排叶片的情况下，随着叶片转速的增加，冷热空气的通气量均有所增

加，但是冷空气的进入量远小于热空气的排出量，转速增加使得冷热空气的通气量的差异明显增大。在设定转轴内部冷空气具有同样的旋转速度情况下，表2显示给定转速情况下，随着排数的增加，叶片总的换热效率略降低。实际若转轴内部的冷空气视为不动，换热效率会更低，冷热空气的通气量差异也更加显著。

表1原型装置五排叶片不同转速下的通气量

转速(rad/s)室外冷空气进入量

(kg/s)

室内热空气排出量

(kg/s)

热冷气量差

(kg/s)

0.10.00280.03190.0291

0.50.00250.02760.0251

10.00290.03130.0284

20.00590.03630.0304

30.00280.03330.0305

50.02210.08450.0623

80.02420.12060.0964

表2原型装置不同叶片排数的换热效率比较（5rad/s）

排数5排6排7排

叶片总换热效率(W)49.73948.85245.911

本设计改变原型仅依靠换热器叶片达到平衡风量与换热的做法，拟在室外冷空气进口加装进气扇调节轴流部分的气流量，并通过调节冷空气进气速度，或调节换热器叶片的转速实现进出空气量的平衡。在进出气量平衡的基础上，对比调节冷空气进口速度和换热器叶片转速两种转速的方式对换热效率的影响。进而给出优化后的机型和参数。

3问题解答

将上述计算设置①中室外冷空气的入口改变为速度入口、出口仍设定为压力出口。在合理的范围内调节冷空气入口的气流速度，并调节换热器叶片转速，寻找对换热效率和换热效果的平衡点。对不同排数的换热器计算结果见下表3。可以看出，随着排数的增加，相同转速下为达到风量平衡应增大室外冷空气进入换热装置的风量。尤其是排数的增加，为使风量平衡，必须使装置的冷空气入口速度提高，这降低了进入室内的空气的换热温度，对整个装置而言，虽然室内外空气交换量增加了，但是降低换热效率。入室空气的温度普遍小于10℃，这说明，在达到室内外通风量平衡的前提下，为实现较好的换热效果，该装置不宜在较高的旋转速度是运行，否则会降低换热效果。

表3冷热空气通气量平衡条件下装置冷空气进口通风量与进室空气温度

排数转速

(rad/s)风量平衡时冷空气入口通风量

(kg/s)

进入室内空气的温度

(℃)

550.0779.74

650.074 6.59

750.069 4.68在室内外通风量平衡的条件下，为考察不同旋转速度对冷空气进入装置的通风量变化换换热效果。对7排叶片的情况计算了不同的转速对应的冷空气平衡风量和入室空气的温度。计算结果见表4，对计算结果进行分析可知，在低转速的情况下，入室空气的换热效果良好，