基于SolidWorks Flow Simulation的换热器流场仿真分析及优化

　　0 引言

　　换热器是指两种不同温度的流体之间进行热量交换的装置，又称热交换器。换热器应用非常普遍，涉及日常生活取暖用的暖气散热片、航天火箭上的油冷却器和汽轮机装置中的凝汽器以及核电站中的蒸汽发生器等诸多方面。换热器因其应用领域不同而种类繁多，从传热面的形状和结构分类，可分为板型、管型和其它换热器。管型换热器分3类：管壳式、蛇管式、套管式。其中管壳式换热器由于结构可靠、技术成熟、适用面广，是目前国内外换热器中的主流产品。

　　传统的管壳式换热器由壳体、管板、传热管束(热交换管)和管箱等部件构成。管束固定在管板上，通过管板与外壳连成一体。进行热交换的流体温度不同，分别在热交换管内、外(壳程内)流动。壳体通常间隔安装若干折流板以增加管外流体流速，增强流体湍动程度，从而提高对流换热系数。

　　管壳式换热器的传热性能研究有两个方向：①强化换热器热交换管传热，以提升换热器中热交换管内外流体与管壁间的对流换热系数，从而达到提高换热器换热效能的目的；②从可用能的角度研究换热器热力学优化，包括换热器的熵产分析等，从传热过程不可逆性的最小角度来优化换热器。

　　本文以废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)换热器为研究对象，以提高换热效率为目的，结合新兴3D打印技术及中的流体仿真模块FlowSimulation，对换热器的热交换管进行优化设计，并对优化设计后的网格状热交换管换热器进行仿真分析，验证设计的合理性。

　　1 热交换管内外流固耦合及优化原理

　　1．1 热交换管流固耦合

　　本文使用三维几何建模软件进行换热器的实体建模，导人Flow Simulation分析模块完成分析前的准备工作。

　　首先定义换热器中热交换管的热／冷流体出入口、计算域及不同流体的流体属性、热属性、环境属性等载荷和边界条件；然后对换热器进行网格划分、定义求解目标、求解控制；最后绘制换热器流场分布(温度场分布、流速分布等)云图。

　　换热器中热交换管内外流固耦合热传递计算：计算流体与固体以及流固交界面处的热量传递。依据热力学理论，在热交换管流固交界面处，热交换管内的热流体所传递的热量等于热交换管的温升及热交换管外冷流体所吸收的热量之和。流体部分广泛采用k—s湍流模型来计算流体与壁面间的对流换热边界条件。标准的k—e湍流连续性k方程和e方程为：

　　1．2 热交换管优化原理