计算流体力学——翅片管换热器Fluent数值模拟教育课件

换热器示意图
计算区域侧面示意图
计算区域俯视图
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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边界条件
均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
计算区域侧面示意图
计算区域俯视图
模拟均匀倾角波纹翅片换热器尺寸：
名称 翅片纵向长度
尺寸 36mm
名称 翅片管子横向间距
翅片间距
1.8mm
翅片管外径
翅片厚度 翅片管子纵向间距
学——翅片 管换热器
Fluent数值 模拟
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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。
温度分布云图
温度等值线图
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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。
本文的难点在于模型的建立和边界条件的设定。
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
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：
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
边界条件设定：
Specify Boundary Types
Name Inlet
设置单位 Display—Scale
本例以毫米为单位
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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
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
在Gambit 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：
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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：
0.2
规则体块（下）
Hex/wedge Cooper
0.2
不规则体块
Hex/wedge Cooper
0.2
网格质量检查：基 本合格
倾斜度<92%，长 宽比<5
导出mash文件
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
fluent设置：
检查网格 Display—Check 最小体积不能为负值
显示网格 Display—Grid
速度分析：
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。
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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。
设置流体物理属性
本例文空气 保持默认即可
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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
0.12mm 18mm
翅片管壁厚 波纹倾角
尺寸 12.7mm
9mm 0.3mm 18.43°
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
模拟均匀倾角波纹翅片换热器边界条件：
名称 入口流体 入口速度 翅片材料
条 空气
3m/s 铝
名称 入口温度 换热管温度 翅片温度
条件 308k 318k 318k
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
Type VELOCITY_INLET
outlet
OUTFLOW
Symmetry1
SYMMETRY
Symmetry2 periodic1
SYMMETRY PERIODIC
Periodic2~ periodic7
PERIODIC
Periodic8
PERIODIC
Specify Continuum Types
压力分布云图
压力等值线图
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
总结： 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。
Name new_fin new-tube1 new-tube2
Type SOLID SOLID SOLID
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均匀倾角波纹翅片管换热器数值模拟
网格划分：
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
名称
Elements
Type
Interval size
规则体块（上）
Hex
Map
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
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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