緊湊式換熱器具有尺寸小、效率高的特點，在暖通空調、核電和電子設備等眾多領域得到廣泛應用。為了不斷提高其傳熱效率，并減少裝置中的壓降，人們通過大量研究探索了諸如在設計中增加變形壁等創新概念。借助 COMSOL Multiphysics? 軟件，您可以在設計進程中對各式動態壁換熱器進行評估。

利用動態壁改進緊湊式換熱器

與其他換熱器相比，緊湊式換熱器單位體積的傳熱面積要大得多，這通常歸功于密集的板片或換熱管陣列。這一特點使得它比傳統的換熱器重量更輕、結構更緊湊。不過，體型較小的換熱器存在一個缺陷——即壓降較高，這一缺點會限制流體的流動速度與換熱器的傳熱量。

板框式換熱器的示意圖，這是一種常見的緊湊式換熱器。

研究人員探究了一個問題：是否可以使用動態壁來改善緊湊式換熱器的性能？在動態壁變形時，所產生的振動有利于流體混合并減小熱邊界層的厚度，從而使換熱器能夠傳遞更多熱量。此外，振蕩可產生類似于蠕動泵的泵送效果。這就減少了換熱器的壓力損失，提高了換熱器的效率。

振蕩也許是提高緊湊式換熱器性能的有效方法。為了測試這一想法，我們可以使用 COMSOL Multiphysics 輕松地創建與檢驗動態壁換熱器的模型……

COMSOL Multiphysics? 中的換熱器流-固耦合（FSI）建模

首先，我們模擬了沒有動態壁的靜態換熱器，便于比較換熱器的兩種不同設計。

靜態換熱器的模型幾何包括頂壁、底壁和通道。流體（此例中為水）流經通道，由于底壁被施加了熱通量，因此流體溫度平穩升高。我們將壁的傳熱速率設定為 125 W。出口處的探頭決定了水離開換熱器時的溫度和質量流率。

靜態換熱器的幾何結構。

第二步，基于下列參數指定頂壁變形：

• 時間

• 通道高度

• 通道長度

• 振蕩頻率

• 振蕩幅度

• 通道長度方向上的波數

如需了解動態壁換熱器的完整建模細節，歡迎訪問“案例下載”頁面，下載模型文檔和 MPH 文件。

為了模擬傳熱和振蕩，我們耦合了兩個內置特征。第一個是共軛傳熱 多物理場耦合特征，它可以計算換熱器和水之間的熱傳遞；第二個是移動網格 特征，它支持模擬壁面和通道的變形情況。

靜態與振動換熱器

最后，我們來查看換熱器的靜態分析結果。當頂壁保持平坦不動時，質量流率為 5.5 g/s時，換熱系數為 2900 W/m2。

靜態換熱器通道中的溫度曲線。

下一組是動態壁換熱器的瞬態分析結果。振蕩在大約 0.6 秒后進入偽周期狀態。進入此狀態后，平均質量流率達到 10.5 g/s，幾乎等于靜態條件下的兩倍。不出所料，換熱系數也變得更高：振蕩幅度為 90％ 時約等于 19,000 W/m2。

左：溫度和流率變化。右圖：動態壁換熱器通道中的溫度曲線。

利用仿真，工程師可以有效地分析與優化換熱器設計，從而獲得最高性能和效率。

來源：COMSOL