板式换热器综合性能的多场协同分析

大学热能实验室BR0.015F型板式换热器结构尺寸，建立逆向流动双通道物理模型。 物理结构形式如表1：

数值计算采用RNG k-ε湍流模型，此模型的理论模拟基础为通用形式的能量控制方程式。入口采用速度入口条件，其数值由试验计算得出，温度采用物理试验所测数据；出口采用压力出口条件，其出口表压为试验计算得出。冷热流道接触面设为换热面，其余各面设为绝热边界条件。

数值模拟软件采用FLUENT，网格划分利用FLUENT前置软件Gambit，将模型分割为进出口，在两端采用网格加密，其余换热区域尽量采用六面体网格划分，在贴壁区域和物理扩散区域采用四面体网格划分，可以较好满足计算精度。

2 计算结果和场协同原理分析

2.1 传热计算结果分析

在 Re=70～950范围内，特定结构板片的努赛尔特数随着波纹倾斜角度的增加不断增加，波纹倾斜角度在72度之前，摩擦阻力系数随角度增加不断增加，到达72度之后基本保持平稳，与W.W.Focke的试验结果一致。

2.2.速度场与温度场协同分析

波纹倾斜角δ=30°之前，平均协同角随Re数的增大逐渐减小，说明场和温度场的协同性逐渐变好。在倾斜角δ=30°时矢量模平均角均得出速度场与温度梯度场的协同性达到极值的结果。

2.3 速度场与压力场协同分析

速度场与压力梯度场夹角平均值θm与Re的关系，随着波纹倾斜角δ的增大，其θm值随着数的增加而减小，且减小的趋势逐渐变缓，速度场和压力场的协同性逐渐变差，压力梯度的作功能力下降，产生的压降增大，表明场协同角θ同样适用于湍流流动。

2.4 速度场与速度梯度场协同分析

通过二维平行通道层流换热边界层动量守恒方程推导出欧拉数Eu与无因次速度与速度梯度的点积的关系式。认为速度场与速度梯度场的夹角α越大，则点积U·ΔU越小，欧拉数Eu越小，速度场与速度梯度场的协同越差，流体的流动阻力越小。

3 计算方法验证

本文采用BR0. 015 F 型特定结构板式换热器实验数据对计算模型进行验证，大量的试验数据表明，模拟数据与试验计算结果误差值均在2%到6%之间，说明计算模型能够反映换热器内部流体换热情况，本文所述计算模拟结果是准确的，可以为更多的相似物理结构换热器进行理论指导。

4 结论

（1）在湍流情况下，速度场、速度梯度场、压力梯度场协同原理同样适用。

（2）速度与压力梯度场的协同原理以及速度与速度梯度的协同原理都可以阐释流动阻力的变化机理与趋势，当倾斜角δ>72°时，速度与压力梯度场协同原理能够更真实的反映流动阻力的变化。

（3）倾斜角δ=80°时，速度场、温度梯度场协同较好；倾斜角δ=30°时，速度场、压力梯度场协同较好。

参考文献：

[1]马学虎，林乐，兰忠等.低Re下板式换热器性能的实验研究及热力学分析[J].热科学与技术，2007，6（01）：38-44.

[2]菜毅.板式换热器性能的数值模拟研究核试验研究[D].北京：北京化工大学，2007.

[3]徐志明，王月明，张仲彬.板式换热器性能数值模拟研究[J].动力工程学报，2011，3（01）：198-202.

[4]何雅玲，雷Re，田丽亭等.高效低阻强化换热技术的三场协同性探讨[J].工程热物理学报，2009，30（11）：1904-1906.

作者简介：张玉锋（1978-），男，山东曲阜人，硕士研究生，工程师，研究方向：热能动力工程。

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