system: [SYSTEM]

user: 3. 模拟结果与讨论波纹高度的影响 3.1. 流动性能分析 流体在板片间的流动方式主要分为曲折流与十字交叉流 [ 14 ]，流体流动形式的变化是由于流体在沟槽中流动时，受到相对板片上沿另一方向流动的流体作用的切向力以及流体间的相互拖拽共同造成的。随着内部流体的流速降低，曲折流会逐渐抓变为十字交叉流。由于波纹高度的增加，流体向着板片间的波峰与波谷发展，从而产生十字交叉流。图3与图4为波纹高度不同的情况下xoz平面板间流体流线图与流速分布云图。如图可以得出：随着波纹高度的增加，板片对流体的切向力增大，十字交叉流逐渐出现，并且随着波纹高度增大所占比例也逐渐增大，与此同时曲折流所占比例不断减小 [ 15 ]。当波纹高度为1.7 mm时，流体速度相对较快，流体主要以曲折流的方式在板片内部流动，并且在触点后有涡流形成；当波纹高度为2.2~3.7 mm时，流体开始沿着板片的沟槽形成了十字交叉流，触点后的涡流区减少，高速区网格状分布；当波纹高度为3.7~4.7 mm时，十字交叉流占据的比例变大，流动死区减少，整体流速减慢。 图3. 不同波纹高度对应流线图 图4. 不同波纹高度对应流速分布图 图5分别为yoz与xoy平面触点处的速度矢量图，观察得到：在波纹高度较小时，曲折流占主导，但是由于板壳式换热器中波纹的存在，流体在低雷诺数下也能充分发展，同时触点使流体流动受到阻碍，扰动剧烈，因此流速变化明显，流体在触点处方向发生改变，形成涡旋，导致流动死区；随着波纹高度的变大，十字交叉流所占的比重增大，流体在板槽间的流动受触点的影响降低，提升高度使得流体不易被对侧流体的反向牵引力改变方向，流体的流动空间增加，因此漩涡区缩小，扰流效果减少，由于控制了流量不变，湍流减弱，板内整体速度降低。 图5. 不同波纹高度对应触点速度矢量图 3.2. 湍动能分析 湍动能k是表示湍流流动强弱的参数 [ 16 ]，其计算公式为： k = 3 2 ( U I ) 2 (8) 其中：u为平均速度；I为湍流强度 湍动能k越大表明湍流度越高，湍动越剧烈。图6和表2为壳程流体的湍动能随雷诺数的变化情况。通过之前的分析可以得到，在总流量不变的前提下，波纹高度升高后，流体流速降低，最终整体流动的湍流程度变弱。通过对于图5中数据的分析可以得出，控制雷诺数不变，则湍动能在1.7 mm时达到最大，随着波纹高度增加，湍动能逐渐降低。控制波纹高度相同，k随雷诺数的增大而变大，且增幅随高度降低而变大。由此可知，降低波纹高度在使流速增加的同时还能加强流体的湍动性能。 图6. 不同波纹高度的湍动能 Table 2 Numerical table of turbulent kinetic energy of plate (m2/s2 雷诺数 波纹高度(mm) 2374.03 3956.7164 5539.4029 7122.0895 8704.776 1.7 0.0209 0.0491 0.0876 0.1342 0.1922 2.2 0.0149 0.0365 0.0611 0.0941 0.1224 2.7 0.0116 0.0271 0.0464 0.0699 0.099 3.2 0.0101 0.0212 0.0368 0.0556 0.0773 3.7 0.0079 0.0174 0.0301 0.0455 0.0624 4.2 0.0069 0.0147 0.0259 0.0393 0.0556 4.7 0.0057 0.0124 0.0233 0.0344 0.0486 表2. 板片湍动能数值表(m 2 /s 2 ) 3.3. 阻力性能分析 图7为壳程不同波纹高度下流体在xoz平面两板间距50%处所在平面的压力分布云图。从图中可知，当波纹高度较小时，压力梯度呈等幅下降的水平分布，随着波纹高度的增大，压力梯度的变化按波纹纹路呈M形分布，这是由于随着波纹高度增大，流体的流态中十字交叉流占比逐渐变大而影响到压力梯度的分布，也因此转为M形分布。观察表3数据，随着高度增大，进出口的压降减小，考虑到由两方面原因：一是流态的原因，流体在转为十字交叉流后减缓了湍流程度，导致了局部阻力损失减少，使得进出口压力差下降；二是由于波纹高度增大，使得内部流动面积变大的同时当量直径也变大，入口处流速和板内平均流速降低，导致压差降低。 图7. 不同波纹高度的压力云图 Table 3 Numerical table of plate pressure drop (Pa 雷诺数 波纹高度(mm) 2374.03 3956.7164 5539.4029 7122.0895 8704.776 1.7 24273.45 64593.49 124099.7 199327.09 296023.78 2.2 15170.36 37925.95 72059.23 108088.92 162133.87 2.7 8779.641 22763.58 41832.11 66645.23 99192.52 3.2 6488.519 15298.78 28982.39 47088.19 69587.68 3.7 4768.08 12112.95 22927.21 37314.81 53666.32 4.2 3788.15 9624.68 18749.94 30376.41 44290.25 4.7 2990.48 8078.63 15802.6 26110.33 39001.53 表3. 板片压降数值表(Pa) 换热器的阻力损失主要体现在压降与摩擦因子上，研究者在对其性能进行分析的过程中，摩擦因子是最重要的一个参考指标，该指标也可称为摩擦系数，该指标的表达式 [ 17 ] 如下： f = 2 d e Δ P L ρ ν 2 (9) 图8和表4为壳程不同波纹高度下摩擦因子随雷诺数的改变情况，由之前的压力云图以及湍动能的分析可知：湍动能随着波纹高度增加而下降，压差则相反随之减小。综合以上变化规律可以得出：波纹高度的增加不利于阻力性能的提升。 图8. 不同波纹高度的摩擦系数 Table 4 Numerical table of plate friction coefficien 雷诺数 波纹高度(mm) 2374.03 3956.7164 5539.4029 7122.0895 8704.776 1.7 6.757 6.473 6.345 6.165 6.129 2.2 8.232 7.409 7.182 6.517 6.544 2.7 9.792 9.141 8.569 8.259 8.229 3.2 12.048 10.226 9.884 9.715 9.611 3.7 13.685 12.516 12.087 11.9 11.457 4.2 15.903 14.546 14.458 14.169 13.831 4.7 17.593 17.111 17.076 17.068 17.067 表4. 板片摩擦系数数值表 3.4. 传热性能分析 图9为壳程不同波纹高度下流体在两板间距50%处所在xoz平面的温度分布云图。观察得到流体的温度在触点前后的变化最大，这是由于在触点处流体发生了强烈的扰动，极大地强化了传热。随着高度的升高，由于流体的流型随着高度的变大转变为纯十字交叉流，温度梯度分布更加均匀，且整体流动空间因高度升高得到了扩大，流速分布均匀性变好，导致了流体的换热均匀性也逐渐变好。 图9. 不同波纹高度的温度分布 本文选择传热因子j和努塞尔数来比较分析不同波纹角度下板壳式换热器壳程的传热性能 [ 17 ]，其中传热因子j的公式为： j = N u P r 1 / 3 R e (10) 图10和表5为壳程不同波纹高度下传热因子随雷诺数的改变情况，表6与图11为波纹高度对努塞尔数的变化影响。根据之前流动性能的定性分析，随着雷诺数的增大，流体的湍流强度也逐渐增大，从而使层流底层厚度逐渐减薄，增强了传热效果 [ 8 ]。这一分析可从表6得以验证。当雷诺数不变时，j随波纹高度增大呈逐渐增大的趋势并在4.7 mm时达到最大，在波纹高度较小时，湍流程度更强，理应传热效果更好，但波纹高度的增加让整体流动空间得到扩大，换热更加均匀，努塞尔数的增幅更大，使得换热效果更好。因此可以得出：通过提高波纹高度能有效强化换热。