Fluent周期性流动换热仿真实例-翅片换热器

案例描述：

氨水在间断式翅片换热器的流动换热仿真。由于在间断式翅片换热器中重复的几何单元多，这里取它的一个重复单元进行仿真分析即可，尺寸和边界条件见下图。

FLUENT 提供流向周期流的计算。这种流动具有广泛的应用，如热交换管道以及通过水箱的管流。在这些流动模式中，几何外形沿流动方向上具有重复性的特点，从而导致了周期性完全发展的流动。这些周期性条件在足够的入口长度后就会形成，具体与雷诺数和几何外形有关。

周期性热传导的解策略：

完成了周期性热传导常数壁面温度的用户输入之后，你就可以解决流动和热传导问题直至收敛。最为有效的解决方法是首先解没有热传导的周期性流动，然后不改变流场来解热传导问题，具体步骤如下：

1. 在解控制面板中关闭能量方程选项。菜单：Solve/Controls/Solution...。

2. 解剩下的方程（连续性，动量以及湍流参数（可选））来获取收敛的周期性流动的流场解。注意，当你在开始计算之前初始化流场时，请使用入口体积温度和壁面温度的平均值作为流场的初始温度。

3. 回到解控制面板，关闭流动方程打开能量方程。

4. 解能量方程直至收敛获取周期性温度场。

当同时考虑流动和热传导来解决周期性流动和热传导问题时，你就会发现上面所介绍的方法相当有效。

 

1、导入网格

1.1 打开Fluent软件，选择2D求解器。

1.2 导入网格。

1.3 尺寸缩放。在本案例的附件网格，需要点击Scale两次，如下图。

2、模型选择

打开能量方程和湍流模型，其中，湍流模型设置如下。

3、材料

在流体材料库中调出氨水ammonia-liquid (nh3<l>)的物性。

4、计算域设置

将计算域的材料设置为氨水。

5、边界条件

5.1 翅片wall边界，包括wall-top和wall-bottom。给定wall温度为350K，其余保持默认。

5.2 周期性边界，Periodic。给定质量流量为1.385kg/s，给定温度240K。

6、设置参考值

为了计算壁面的Stanton值，需要设定参考值，如下。

7、求解设置

7.1 求解方案。

7.2 松弛因子。将能量松弛因子设置为0.95，其他默认。残差收敛判据出来能量外，其余全部改为1e-4。将求解的方程取消energy方程，只求解流动和湍流方程。

7.3 面监控。监控计算过程中wall-top面的Stanton值得变化。

7.4 初始化。

7.5 迭代步数输入1000，计算1000步后的残差曲线如下，计算到673步收敛。

7.6 取消流动和湍流方程的计算，启动能量方程计算。

点击继续迭代计算，再次计算100多步就收敛。收敛残差如下。

面监控Stanton数如下，4.0902e-3。对于氨水经过此类翅片表面，当Re=7000时候，实验测到Stanton数为3.87e-3，仿真和实验值相差5.7%，非常接近。后期可以将流动和湍流计算更加收敛，同时将能量收敛判据也降低，会使得仿真和实验值更加接近。

8、后处理

8.1 设置对称面显示。

8.2 速度场显示

8.3 温度场显示

放大翅片表面的温度场如下：

来源：流体与热控大本营

作者：曾社铨