換熱器（Heat Exchanger）是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動(dòng)力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器應(yīng)用廣泛可，作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等。對(duì)換熱器進(jìn)行流體仿真，能幫助了解換熱器內(nèi)冷熱流體的溫度分布和熱量交換效率，對(duì)指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)具有重大意義。由于換熱器對(duì)熱量交換效率的要求，換熱器從流體進(jìn)口到交換區(qū)再到出口的尺度變化較大，圖一展示了一個(gè)常見(jiàn)換熱器的尺寸變化。在這種情況下，如果對(duì)換熱器進(jìn)行全計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真，需要較大網(wǎng)格量才能保證網(wǎng)格質(zhì)量，這就使得CFD仿真變得復(fù)雜和昂貴。為了節(jié)約計(jì)算成本且保證計(jì)算準(zhǔn)確度，本案例提出了不同尺度區(qū)域分開(kāi)建模再耦合的方法進(jìn)行CFD仿真，分區(qū)如圖2所示。
圖1 換熱器尺寸變化
本案例選取了如圖所示的換熱器幾何模型作為研究對(duì)象，由于換熱器是對(duì)稱的，只需研究一半的換熱器。該模型的上表面為對(duì)稱面，模型包含6個(gè)熱通道和6.5個(gè)冷通道，通道之間由12個(gè)固體片隔開(kāi)。熱流體的流動(dòng)方向?yàn)閤，冷流體的流動(dòng)方向?yàn)?z。
首先對(duì)通道外的區(qū)域構(gòu)建流體仿真網(wǎng)格，通道內(nèi)區(qū)域?qū)挾确较蛴靡粚泳W(wǎng)格來(lái)模擬，得到整個(gè)通道的平均量。過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格如下圖所示，模型共包含為3 000 000單元。
圖4 過(guò)渡區(qū)網(wǎng)格
對(duì)于通道內(nèi)的流體，我們構(gòu)建了一個(gè)元模型（Metamodel），建立了一個(gè)鏈接輸入和輸出的I/O近似模型。對(duì)單個(gè)通道單獨(dú)建模，使用多孔介質(zhì)模型模擬單個(gè)通道內(nèi)流體流動(dòng)，多孔介質(zhì)的參數(shù)如圖2所示，得到通道內(nèi)流體溫度分布如圖5所示。同時(shí)得到了輸出參數(shù)Nu和Cf與輸入的關(guān)系。使用克里金法（Kriging）對(duì)48次單通道模擬得到的Nu值和139次模擬得到的Cf值進(jìn)行插值，得到Re=8000時(shí)的響應(yīng)平面，結(jié)果如圖6所示。
圖5 多孔介質(zhì)模型模擬通道內(nèi)流體溫度分布結(jié)果
圖6 Re=8000時(shí)的響應(yīng)平面
通過(guò)在每次流體計(jì)算結(jié)束后，根據(jù)得到的結(jié)果，獲取Re。調(diào)用我們構(gòu)建的元模型，將獲得的Re作為輸入，得到Nu和Cf。將獲得的Nu和Cf給的流體計(jì)算區(qū)，得到換熱系數(shù)和壓頭損失。這樣就完成了兩種模型的耦合。
使用code_saturne耦合兩個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，下圖分別展示了換熱器內(nèi)流線圖、速度云圖和壓力云圖。
下表展示了元模型輸出的各通道的速度、Re、Nu和Cf值。圖9展示了流體仿真得到的各通道的Nu云圖。可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)模型得到的結(jié)果是一致的，說(shuō)明兩種模型得到了較好的耦合。
表1 各通道的速度、Re、Nu和Cf
圖10展示了換熱器內(nèi)的溫度分布，可以看出熱流體流過(guò)通道逐漸降溫。
圖10 換熱器內(nèi)溫度場(chǎng)分布
本案例使用code_saturne耦合元模型，解決了尺度變化較大的換熱器模擬復(fù)雜的問(wèn)題。模擬結(jié)果較好地預(yù)測(cè)了換熱器內(nèi)的溫度分布情況，驗(yàn)證了code_saturne計(jì)算換熱和溫度分布的能力，同時(shí)也證明了code_saturne具有較好的耦合能力，能與各種外部模型進(jìn)行耦合計(jì)算。
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