静态和动态壁换热器的仿真对比分析

Bridget Paulus 2018年 2月 27日

紧凑式换热器具有尺寸小、效率高的特点,在暖通空调、核电和电子设备等众多领域得到广泛应用。为了不断提高其传热效率,并减少装置中的压降,人们通过大量研究探索了诸如在设计中增加变形壁等创新概念。借助 COMSOL Multiphysics® 软件,您可以在设计进程中对各式动态壁换热器进行评估。

利用动态壁改进紧凑式换热器

与其他换热器相比,紧凑式换热器单位体积的传热面积要大得多,这通常归功于密集的板片或换热管阵列。这一特点使得它比传统的换热器重量更轻、结构更紧凑。不过,体型较小的换热器存在一个缺陷——即压降较高,这一缺点会限制流体的流动速度与换热器的传热量。

plate and frame heat exchanger 静态和动态壁换热器的仿真对比分析
板框式换热器的示意图,这是一种常见的紧凑式换热器。

参考文献 1中,研究人员探究了一个问题:是否可以使用动态壁来改善紧凑式换热器的性能?在动态壁变形时,所产生的振动有利于流体混合并减小热边界层的厚度,从而使换热器能够传递更多热量。此外,振荡可产生类似于蠕动泵的泵送效果。这就减少了换热器的压力损失,提高了换热器的效率。

振荡也许是提高紧凑式换热器性能的有效方法。为了测试这一想法,我们可以使用 COMSOL Multiphysics 轻松地创建与检验动态壁换热器的模型……

COMSOL Multiphysics® 中的换热器流-固耦合(FSI)建模

首先,我们模拟了没有动态壁的静态换热器,便于比较换热器的两种不同设计。

静态换热器的模型几何包括顶壁、底壁和通道。流体(此例中为水)流经通道,由于底壁被施加了热通量,因此流体温度平稳升高。我们将壁的传热速率设定为 125 W。出口处的探头决定了水离开换热器时的温度和质量流率。

static heat exchanger geometry 静态和动态壁换热器的仿真对比分析
静态换热器的几何结构。

第二步,基于下列参数指定顶壁变形:

  • 时间
  • 通道高度
  • 通道长度
  • 振荡频率
  • 振荡幅度
  • 通道长度方向上的波数

 

动画显示动态壁的变形。

如需了解动态壁换热器的完整建模细节,欢迎访问“案例下载”页面,下载模型文档和 MPH 文件。

为了模拟传热和振荡,我们耦合了两个内置特征。第一个是共轭传热 多物理场耦合特征,它可以计算换热器和水之间的热传递;第二个是移动网格 特征,它支持模拟壁面和通道的变形情况。

静态与振动换热器

最后,我们来查看换热器的静态分析结果。当顶壁保持平坦不动时,质量流率为 5.5 g/s时,换热系数为 2900 W/m2

temperature profile static heat exchanger simulation plot 静态和动态壁换热器的仿真对比分析
静态换热器通道中的温度曲线。

下一组是动态壁换热器的瞬态分析结果。振荡在大约 0.6 秒后进入伪周期状态。进入此状态后,平均质量流率达到 10.5 g/s,几乎等于静态条件下的两倍。不出所料,换热系数也变得更高:振荡幅度为 90% 时约等于 19,000 W/m2

Temperature flow rate dynamic wall heat exchanger 静态和动态壁换热器的仿真对比分析
temperature profile heat exchanger plot 静态和动态壁换热器的仿真对比分析

左:温度和流率变化。右图:动态壁换热器通道中的温度曲线。

利用仿真,工程师可以有效地分析与优化换热器设计,从而获得最高性能和效率。

下一步操作

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参考文献

  1. P. Kumar, K. Schmidmayer, F. Topin, and M. Miscevic, “Heat transfer enhancement by dynamic corrugated heat exchanger wall: Numerical study,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 745, 2016.

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