換熱器多維度建模案例
基于Code_Saturne的換熱器多維度建模(Multi-scale Modelling)案例
換熱器（heat exchanger），是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、動力、食品及其它許多工業生產中都占有重要地位，應用廣泛。
模擬換熱器是一個多維度問題，需要使用計算流體動力學Computational Fluid Dynamics CFD。可以選擇針對整個換熱器使用CFD模擬，但過程非常復雜且造價昂貴。也可以選擇部分CFD模擬和整體法（CFD pattern and Integral method），比如，熱交換和有效性法（Number of Transfer Units Method），這種方法造價比較便宜，但在建模的過程中進行了太多假設。故可以選擇部分CFD模擬和CFD分布法（CFD pattern and CFD distribution），這樣就可以處理熱傳遞和分布問題，這種方法叫做多維度方法（Multi-level Approach)。
在Code_Saturne中具體的實現方式是，使用內部耦合和元模型法（Internal Coupling and Metamodelling）。
選取換熱器中周期性存在的部分（如下圖）；
2. 使用Baldwin-Lomax -v2/k 模型進行二維模擬，根據公式計算得出努塞爾數Nu和阻力因數Cf；
3. 使用克里金(Kriging)插值法得到三維的空間分布情況。對于努塞爾數的模型，選取48個觀測點；對于阻力系數的模型，選取139個觀測點；得到在雷諾數Re為8000時的響應曲線如下圖所示。
1. 定義幾何
由于換熱器是對稱的，故選取下半部分建立幾何形狀，包含6個熱通道，6.5個冷通道和12個交界面。另外，空氣和水是交叉流動的，交叉流動方向為：冷卻劑沿著-z軸流動，熱流沿著X軸方向流動。
2. 刻畫網格
總共生成約3 000 000 個單元，傳熱和壓頭損失系數加載于反應活性區。
3. 定義壓頭損失
首先，在cs_user_zone.c文件中定義應用壓頭損失的區域：通道1~通道6和冷卻劑；
然后，在cs_user_head_losses.c文件中定義壓頭損失表達式：
其中Cf 是通過元模型和迪圖斯-貝爾特(Dittus-Boelter)公式計算得到的。
4. 定義傳熱系數
在cs_user_extra_operations.c文件中，定義一個syscall函數來調用元模型；
在cs_user_source_terms.f90文件中，針對每一個通道，先計算出口處的雷諾數Re，結合元模型中得到的努塞爾數Nu，計算傳熱系數，選取反應截面，然后使用命令cs_ic_set_exchcoeff裝載傳熱系數。
各通道特征數
速度場流線圖
速度分布圖
壓強分布圖
方法對比
a. 使用CFD模擬得到的總壓降更高， 這是因為對流換熱的過程中仍存在擴散項；
b. 使用多維度CFD模擬得到的換熱器傳熱效率比較高，這是因為有均勻變化假設(homogeneous behaviour hypothesis)。
1. 運用Code_Saturne軟件，使用多維度建模方式，可以對換熱器內部液體的速度和壓強分布情況進行相對準確的預測，從而得到傳熱效率，用于預測傳熱器的性能，也可以處理分布項；
2. 本研究所探究的方法論能夠為接下來的研究提供思路，比如，在每個面上添加熱阻，擴展傳熱系數的定義，從而對模型進行優化。
作者：
F. Mastrippolito
Univ. Lyon, Ecole Centrale de Lyon, LMFA UMR5509, Lyon, France & CEA Tech, LITEN, Laboratoire Echangeurs et Réacteurs, Grenoble, France
工程師必備
- 項目客服
- 培訓客服
- 平臺客服
TOP
