CFD 技术在板翅式换热器设计中的应用

摘要: 回顾了计算流体动力学(CFD) 几年来的发展现状, 并且介绍了计算流体动力学(CFD) 技术应用的领域、CFD 软件的一般结构以及各种商业软件的特点, 同时阐明了CFD 技术在板翅式换热器设计应用方面的优越性, 并指出了我国在CFD 技术研究领域与国际先进水平的差距及进一步开展CFD 研究的方向。

1　引言
    CFD (Compu tat ional F lu id Dynam ics, 即计算流体动力学, 简称CFD [ 1 ] ) 是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术, 广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计、HAVC&R 等诸多工程领域, 板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。
    CFD 在最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型[ 2 ] , 如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具, 这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
2　CFD 技术在板翅式换热器设计开发方面的优越性
    板翅式换热器是一种高效、紧凑式换热器, 随着加工工艺技术的发展, 其应用范围不断扩展, 目前广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨等工业领域[ 3 ] , 其突出优点是结构紧凑、便于多股流布置、小温差和大温降换热。传统的板翅式换热器设计一般仅依靠简单的理论及实验分析来确定板翅式换热器的结构形式, 但是这需要大量的实验经费以及很长的实验周期, 而且这样得到的结构形式并不能确保为最佳的方案, 传统的板翅式换热器设计流程[ 4 ]如图1。

    从传统设计流程图中可以看到在传统的板翅式换热器设计过程中,设计可行与否往往取决于试验, 为保证性能稳定, 就不得不进行大量试验, 而且产品方案的筛选和优化是在设计、制造、测试部门之间进行大循环, 由于牵涉的环节多, 产品的开发周期长、费用高; 对工程设计而言, 往往需要进行方案选择、优化, 但是由于板翅式换热器内流体流动与传热规律是十分复杂的[ 5 ] , 仅靠实验测试并不能最终达到开发新产品和精确设计的目的。
    从上面所述不难看出, 完全通过传统实验研究不能很好的达到板翅式换热器优化设计的目的。因此, 近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究, 提出通过“数值试验”——计算流体力学(CFD) 模拟计算, 来评价、选择和优化设计方案, 从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量[ 6 ] , 而且获得的结果直观、快捷。
    CFD 设计流程图表明换热器的设计方案可以仅通过CFD 计算结果就可以进行评估,并且由于CFD 软件可以比较快捷、准确及直观的反映出流体在换热器中流动的过程, 如速度场、压力场、温度场或浓度场的分布, 因此很容易从对流场的分析中发现样品设计中存在的问题, 及时的反馈并进行设计方案的改进, 从而避免了浪费大量的人力、物力和时间。而实验测量仅起到验证计算结果的目的, 大大减少了时间和经费。
    板翅式换热器的CFD 优化设计可以在满足用户性能要求的前提下, 具有最小的投资费用和运转费用。优化设计包括翅型选择、流通布置、流体均布、温度场分布和纵向热传导的考虑等等。在设计中, 以局部热平衡偏差、允许阻力值、流道计算长度偏差为主要控制指标, 进行流通排列分