推荐CFD软件Simerics——高效模拟复杂结构的换热器

背景描述

换热器是工业常用的热交换设备,传热计算是换热器设计中最重要的环节之一。一般情况下,换热器的传热设计主要依据从试验总结出来的经验关联式。由于试验工况有限,因此各种关联式都有一定的适用范围,很多特殊的工况往往找不到合适的关联式来进行计算。此外,采用关联式进行计算只能得到平均值,无法得到各项参数在时间和空间上的分布。

随着计算机技术的发展,CFD数值模拟成为了换热器设计的一种重要手段,但随着众多CFD软件的出现,对于结构和流道非常复杂的换热器而言,要想准确、快速地进行换热器的流场、温度场的计算,选择哪一种高效、准确的CFD分析方法就显得比较重要。

CFD分析技术难点

换热器结构复杂,流道众多,比如管壳式、管翅式换热器,结构都异常复杂,必然会导致大量的网格,耗费大量的计算资源,即计算难点包含如下两方面:

• 网格问题:以管翅式换热器为例,其包含大量的翅片和铜管,要准确模拟管翅式换热器的流场,在不简化结构的前提下,需要数量巨大的网格,网格数量一般会达到千万级别甚至更高。对于传统的CFD软件而言,网格数可能会更多,最终导致计算无法进行,所以更多的是采用二维的模拟方式。对于三维CFD仿真,则要求所采用的CFD软件具有高效的网格生成技术和较好的局部自适应加密功能。

• 求解时间:换热器本身模型复杂,网格数即使经过控制也将达千万级,这就要求所采用的CFD软件具有快速、稳定的求解器,才能准确有效地对换热器流场进行预测和评估。

换热器CFD分析解决方案

采用面向工程开发的CFD软件Simerics可以解决上述换热器仿真问题,其具备的优势如下:

• Simerics基于二叉树方法的笛卡尔网格技术非常实用于模型复杂的换热器,Simerics利用最小网格尺度控制,可以自适应加密复杂结构的网格,而对于简单结构部分则按照正常的网格尺寸划分,这样既加密了复杂流道的网格,精确地表达了原始几何,同时又保证了其他部位的网格数量,控制了总网格数;

• Smerics内置的求解器是在通用CFD求解器基础上经过优化而成,Simerics将最新的数值技术与其专有的算法相结合,配合Simerics独特的网格优势,建立了一个比传统CFD软件更快速、更稳健的求解器,因而求解速度更快、更稳定。

案例介绍

• 管壳式换热器仿真分析案例

如下为某管壳式换热器分析案例,几何结构及网格划分如下所示,网格由Simerics自动网格生成工具生成,网格数量500万。

管壳式换热器:管程、壳程几何结构

管壳式换热器内部网格截图

管程压力分布

壳程温度分布

换热器内部截面温度分布

• 管翘式换热器仿真分析案例

管翘式换热器包含大量翅片和铜管,几何结构非常复杂。Simerics可以便捷的生成复杂结构的网格,可以直接模拟翅片,本案例中管翅式换热器网格数量6500万。

管翅式换热器温度场分布

管翅式换热器流线动画

• 油汀换热器仿真分析案例

油汀换热器主要由密封式电热元件、金属加热管、铁散热片、控温元件、电源开关、指示灯等组成。这种取暖器是将电热管安装在散热片的腔体内部,在腔体内电热管周围注有导热油,导热油被加热后,上升到腔体上部,沿散热管或散热片进行对流循环,并将表面热量辐射出去,加热空间环境。

下图为某油汀换热器的几何模型,该实例模型只选取了2个散热片。油汀由其内部的加热装置加热,然后通过散热片散热从而使室内温度升高。

油汀几何结构及加热装置

采用Simerics网格生成器对该油汀模型进行网格划分,网格总数约为100万。

油汀内部网格截图

油的密度、粘度、比热以及导热系数都是随温度变化的,在计算中都设定为温度的函数。

加热装置附近竖直剖面温度分布云图

加热装置附近水平剖面温度分布云图

油汀竖直剖面温度分布云图

小结

• Simerics的优势解决方案可以解决各类结构复杂的换热器的仿真分析,基本不用对换热器结构进行简化,降低了仿真的难度,提高了分析效率,并具有高精度的计算结果;

• 可应用于不同结构的换热器,无论是结构相对简单的管壳式换热器,还是结构复杂的管翅式换热器、板式换热器等,均能较好适应;

• 计算效率高,后处理数据提取便捷且数据完备。可在短短几天时间内获得换热器的初步性能结果,并自动输出压力、速度、温度及其响应曲线等数据,为设计及优化提供参考。