【技術(shù)分享】一種高效的CFD方法在換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2017-03-31  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

換熱器是工業(yè)常用的熱交換設(shè)備,傳熱計(jì)算是換熱器設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一。一般情況下,換熱器的傳熱設(shè)計(jì)主要依據(jù)從試驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。由于試驗(yàn)工況有限,因此各種關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。此外,采用關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算只能得到平均值,無(wú)法得到各項(xiàng)參數(shù)在時(shí)間和空間上的分布。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,CFD數(shù)值模擬成為了換熱器設(shè)計(jì)的一種重要手段,但隨著眾多CFD軟件的出現(xiàn),對(duì)于結(jié)構(gòu)和流道非常復(fù)雜的換熱器而言,要想準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行換熱器的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的計(jì)算,選擇哪一種高效、準(zhǔn)確的CFD分析方法就顯得比較重要。

CFD分析技術(shù)難點(diǎn)

換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,流道眾多,比如管殼式、管翅式換熱器,結(jié)構(gòu)都異常復(fù)雜,必然會(huì)導(dǎo)致大量的網(wǎng)格,耗費(fèi)大量的計(jì)算資源,即計(jì)算難點(diǎn)包含如下兩方面:

• 網(wǎng)格問(wèn)題:以管翅式換熱器為例,其包含大量的翅片和銅管,要準(zhǔn)確模擬管翅式換熱器的流場(chǎng),在不簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的前提下,需要數(shù)量巨大的網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量一般會(huì)達(dá)到千萬(wàn)級(jí)別甚至更高。對(duì)于傳統(tǒng)的CFD軟件而言,網(wǎng)格數(shù)可能會(huì)更多,最終導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法進(jìn)行,所以更多的是采用二維的模擬方式。對(duì)于三維CFD仿真,則要求所采用的CFD軟件具有高效的網(wǎng)格生成技術(shù)和較好的局部自適應(yīng)加密功能。

• 求解時(shí)間:換熱器本身模型復(fù)雜,網(wǎng)格數(shù)即使經(jīng)過(guò)控制也將達(dá)千萬(wàn)級(jí),這就要求所采用的CFD軟件具有快速、穩(wěn)定的求解器,才能準(zhǔn)確有效地對(duì)換熱器流場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估。

換熱器CFD分析解決方案

采用面向工程開發(fā)的CFD軟件Simerics可以解決上述換熱器仿真問(wèn)題,其具備的優(yōu)勢(shì)如下:

• Simerics基于二叉樹方法的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)非常實(shí)用于模型復(fù)雜的換熱器,Simerics利用最小網(wǎng)格尺度控制,可以自適應(yīng)加密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格,而對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)部分則按照正常的網(wǎng)格尺寸劃分,這樣既加密了復(fù)雜流道的網(wǎng)格,精確地表達(dá)了原始幾何,同時(shí)又保證了其他部位的網(wǎng)格數(shù)量,控制了總網(wǎng)格數(shù);

• Smerics內(nèi)置的求解器是在通用CFD求解器基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)優(yōu)化而成,Simerics將最新的數(shù)值技術(shù)與其專有的算法相結(jié)合,配合Simerics獨(dú)特的網(wǎng)格優(yōu)勢(shì),建立了一個(gè)比傳統(tǒng)CFD軟件更快速、更穩(wěn)健的求解器,因而求解速度更快、更穩(wěn)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(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分如下所示,網(wǎng)格由Simerics自動(dòng)網(wǎng)格生成工具生成,網(wǎng)格數(shù)量500萬(wàn)。

管殼式換熱器:管程、殼程幾何結(jié)構(gòu)

管殼式換熱器內(nèi)部網(wǎng)格截圖

管程壓力分布

殼程溫度分布

換熱器內(nèi)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。Simerics可以便捷的生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格,可以直接模擬翅片,本案例中管翅式換熱器網(wǎng)格數(shù)量6500萬(wàn)。

管翅式換熱器溫度場(chǎng)分布

管翅式換熱器流線動(dòng)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(guān)、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(nèi)部,在腔體內(nèi)電熱管周圍注有導(dǎo)熱油,導(dǎo)熱油被加熱后,上升到腔體上部,沿散熱管或散熱片進(jìn)行對(duì)流循環(huán),并將表面熱量輻射出去,加熱空間環(huán)境。

下圖為某油汀換熱器的幾何模型,該實(shí)例模型只選取了2個(gè)散熱片。油汀由其內(nèi)部的加熱裝置加熱,然后通過(guò)散熱片散熱從而使室內(nèi)溫度升高。

油汀幾何結(jié)構(gòu)及加熱裝置

采用Simerics網(wǎng)格生成器對(duì)該油汀模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)約為100萬(wàn)。

油汀內(nèi)部網(wǎng)格截圖

油的密度、粘度、比熱以及導(dǎo)熱系數(shù)都是隨溫度變化的,在計(jì)算中都設(shè)定為溫度的函數(shù)。

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(jié)

• Simerics的優(yōu)勢(shì)解決方案可以解決各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱器的仿真分析,基本不用對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,降低了仿真的難度,提高了分析效率,并具有高精度的計(jì)算結(jié)果;

• 可應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的換熱器,無(wú)論是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的管殼式換熱器,還是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管翅式換熱器、板式換熱器等,均能較好適應(yīng);

• 計(jì)算效率高,后處理數(shù)據(jù)提取便捷且數(shù)據(jù)完備?？稍诙潭處滋鞎r(shí)間內(nèi)獲得換熱器的初步性能結(jié)果,并自動(dòng)輸出壓力、速度、溫度及其響應(yīng)曲線等數(shù)據(jù),為設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

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