热交换器的设计与仿真分析

孟俊涛

摘要：为了研究流体在热交换器中对燃气轮机发动机机油的冷却效果，我们就以流固耦合理论为基础，利用Catia软件建立热交换器的三维模型，并利用ANSYS对其进行流固耦合分析，结果表明：冷却效果符合预期，结果合理可靠，满足设计要求。

关键词：热交换器;流固耦合;ANSYS

0  引言

热交换器是一种常见的热交换设备，它主要是用来使热量从高温流体传递给低温流体，以此满足特定工艺要求的一种装置，根据其具体的使用目的可以分为冷凝器、加热器、冷却器和汽化器，其应用的基本原理就是热传导以及对流传热[1，2]。

1  结构设计

新型套管式热交换器的基本结构如图1所示，主要由两部分组成，外部是冷却剂流动层，用于冷却套管内部的高温流体;内部是热交换器的套管，里面流动的是高温机油。

该热交换器中起降温作用的是外部冷却剂流动层，它与热交换器套管中的高温机油通过逆流的方式，在热交换器内管壁进行对流换热。具体流动方案如图1所示，机油由左上方入口进入换热器，从右下部出口流出，而冷却水流动方向恰好与之相反，从右下方入口进入换热器，从左上部出口流出，经查阅相关资料可知，采用逆流的方式能够更好的降低高温机油的溫度[3，4]。

2  建模与仿真

通过Catia软件对热交换器进行三维建模，如图2所示，将绘制好的模型导入到ANSYS Workbench中的CFX分析模块[5]，对模型采用四面体网格划分，只要网格的数量足够多，四面体网格同样能保证相同的精度[6]，生成的网格图3所示，ANSYS Workbench中包含有多种网格质量检查准则，对于不同的分析项目而言，其所对应的网格质量检查规则也就不一样，我们选择一种较为常用的网格质量检查规则，也就是Element Quality（单元质量检查），该数值越接近于1说明网格质量划分的越好，此次平均网格质量为0.81，可以认为网格质量满足此次计算要求，如图4所示，其中网格节点数180.4万，网格单元数128.4万。

3  边界条件

根据设计要求，保证机油出口温度不得超过70℃，其中流经套管内的高温机油入口边界条件为质量流量入口，质量流量为0.02Kg/s，入口温度为200℃;冷却剂的入口边界条件为质量流量入口，质量流量为0.4Kg/s，入口温度为20℃;模型壁面采用默认的标准壁面函数，无滑移边界，采用二阶迎风格式进行计算[7，8]，冷却剂与机油的设置参数如图5、图6所示。

4  结果与讨论

观察机油温度分布云图（图7）可知，机油在有冷却水的位置温度较低，主要是因为此部分冷却水流速较高，带走了大量的热量，弯曲部分温度较高，约为90℃左右，最高温度出现在机油入口处，为200℃，其中机油的出口温度低于70℃，满足设计要求;观察热交换器表面温度分布云图（图8）可知，流经冷却剂管道的温度较低，最高温度出现在冷却剂出口位置，不超过80℃，而流经机油管道的温度较高，其中最高温度出现在管道弯曲部分，约为96.6℃。

5  结论

以流固耦合理论为基础，利用catia软件建立了热交换器三维模型，并通过CFX软件对其进行流固耦合分析，得到了机油的温度分布云图，结果表明：该换热器能够将机油温度降到合理安全范围内，符合设计要求。

参考文献：

[1]秦叔经，叶文邦.换热器[M].北京：化学工业出版社，2002.

[2]史美中，王中铮.热交换器原理与设计[M].南京：东南大学出版社，2018.

[3]刘燕.换热器顺流和逆流方式应用效果探讨[J].石化技术，2015，22（04）：43，47.

[4]敖江丽，于海侠.换热器顺流和逆流方式应用效果比较[J].中国氯碱，2014（11）：32-33.

[5]丁源.ANSYS CFX 19.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2020.

[6]张秀杰，谌继明，康伟山，等.ITER屏蔽包层屏蔽块热工水力分析[J].核聚变与等离子体物理，2010，30（03）：267-271.

[7]张海平，刘志军，宋静，等.热交换器汇风箱结构的流体分析[J].河南建材，2018（05）：159-160，162.

[8]王丽娟，张家铭，张海潇，等.基于流固耦合的埋地供水管道地震响应分析[J].深圳大学学报（理工版），2020，37（03）：271-278.