基于FLUENT的水冷多管头冷却器的数值模拟

蔡容　郑秀云

摘要：建立水冷多管头冷却器的三维模型的物理与数学模型，利用Fluent软件，采用标准湍流模型，对冷却器进行数值模拟研究。经分析知模拟结果与实际情况较吻合，此方法为水冷多管头冷却器的设计及优化提供了理论参考和科学依据。

关键词：水冷多管头冷却器;Fluent;流场;温度场;数值模拟

中图分类号：TB65 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0016-01

0 引言

冷却器是属于换热器的一种，而水冷多管头冷却器是电力及液压系统中普遍使用的一种冷却器，同时也适用于冶金、化工、矿山、轻工及重工等企业[1]。利用该冷却器可使具有一定温差的两种介质实现热交换，从而达到降低温度，使设备正常运行。

水冷多管头冷却器的内部结构以及外部参数的选取对于换热效率有着比较重大的影响，本文利用软件Fluent对冷却器内液体流场和温度场的分布进行数值模拟研究，为水冷多管头冷却器的设计及优化提供了理论参考，具有较大的理论和现实意义。

1 模型的建立与网格划分

水冷多管头冷却器主要由壳体和冷却管组成，按照装置的真实尺寸，用PROE来建立三维立体模型，将PROE的模型以.x_t的格式保存并导入GAMBIT里，通过布尔运算将冷却器内的个体分割出来，再进行网格划分[2-3]。在软件PROE中建立的实体模型，必须在将模型导入GAMBIT后，划分网格之前，对于模型进行预处理，修改一些结构上的小缺陷[4]。冷却管区域采用Hex/wedge单元，cooper非结构网格划分;壳体用Tet/Hybrid单元中的TGrid混合网格来划分网格;进、出管口采用Hex/wedge单元，cooper非结构网格划分。整体网格模型如图1所示。

2 数值方法

将网格文件导入Fluent中进行模拟分析，本文采用整体解法将固体区域和液体区域的传热组合起来，将冷却器外壁与外部空气的对流、冷却器内冷热介质的对流作为一个统一的问题同时进行求解。

本计算中选用标准模型，为了简化问题，在数值模拟过程中，采用以下流动换热模型：冷却器内液体流动为稳态、湍流，且没有自定义的源项;忽略固体壁面间的热辐射。选择有限体积法离散控制方程，采用QUICK格式和中心差分格式分别作为对流项和扩散项的离散格式，流场计算使用SIMPLE算法，能量方程和动量方程用二阶迎风格式离散，使用默认的松弛因子进行迭代计算直到最终收敛。

3 数值模拟结果与分析

3.1 初始结构分析

设置相应的冷水和热油进口边界条件：速度和温度，得出如图1所示的数值模拟结果，其中温度分布于速度分布情况如图2（a）所示，油液进口温度为320k，出口的温度有了明显的降低，温度为312k，经过冷却器的冷却后，油液温度明显降低。而冷却水的温度在进口处为300k，出口处为302k，温度有稍许提高。

由图2（b）速度场分布可以看出在冷却水进口处速度冲击较大，流动较为剧烈，管路内部流动平稳，出口处速度有稍许增加。在油液区域速度基本一致，速度较小，流动平缓。

3.2 优化结构分析

水冷多管头冷却器主要由壳体、冷却管，进出管口等结构组成的。为了让冷却效果更好，可以通过增设隔板来解决。增加隔板后，重新建立模型，各自分析不同数量的隔板时的温度场（其余条件保持不变），如图3所示。從图中可以明显观察到随着隔板个数的增加，冷却效果更好。在隔板的存在下，在每块隔板后都会出现一定的温降，隔板数越多，温降越明显。主要原因是因为油液在水管外部流动时，它的行进路线加长，从而增加了散热效果。

本节主要是对水冷多管头冷却器内的结构和内部参数变化进行分析，从而为冷却器的设计优化提供依据。经过对比分析发现，在冷却器内添加隔板，冷却效果明显。

4 结语

本文利用Fluent软件，选用标准两方程模型以及壁面函数法，基于整体分析并求解水冷多管头冷却器处于稳态条件下的温度场和速度场。限于网格生成的难度，本文做了部分简化，因而影响了模拟结果的准确性，但从计算结果来看，温度分布与速度分布比较符合实际情况。此外，水冷多管头冷却器的流场和温度场大多受到自身结构的影响，所以可以优化结构来改变冷却器的性能。通过在冷却器内部添加隔板，可以大幅度的提升冷却效果，从而为以后冷却器的设计提供参考。

参考文献

[1] 钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社，2003.

[2] 王福军.CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[4] 于勇.fluent入门进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

Numerical Simulation of Water-cooled Multi-head Cooler Based on FLUENT

CAI Rong， ZHENG Xiu-yun

（City College， Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei  430083）

Abstract：The physical and mathematical models of the three-dimensional model of water-cooled multi-head cooler are established. The numerical simulation of the cooler is carried out by using Fluent software and standard turbulence model. The analysis shows that the simulation results are in good agreement with the actual situation. This method provides a theoretical reference and scientific basis for the design and optimization of water-cooled multi-head cooler.

Key words：water-cooled multi-head cooler;Fluent;flow distribution;temperature field;numerical simulation