摘要：换热器是进行热交换的通用设备，在制冷、石油、化工等领域有着广泛的应用。换热器的换热性能好坏直接影响整个系统的能源利用情况，与生产成本有着紧密的联系。利用计算流体力学的分析结果在换热器的模型设计和设计开发上提供依据。
关键词：数值计算;换热器
1.引言
随着能源需求的不断增长和石油价格的持续攀升，能源供给的可持续性问题成为世界性的战略问题。目前，能源的供应上仍以石油和煤炭为主，这些石化能源资源的消耗带来严重的环境问题。随着能源和环境问题的日渐突出，传统的大型粗放生产型设备在工业生产中表现出很大的局限性，如能耗大、效率低、体积大、成本高及维护难等，已不能满足绿色生产的基本要求。故换热器的研究一直是人们主要的课题之一，也是实现国家战略目标的工作内容之一。
2.CFD技术在换热器上的应用
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics 简称CFD）是一门建立在经典流体力学和数值计算方法基础上的新型独立学科。它通过离散化的数值方法及电子计算机对流体流动、传热及传质等物理现象进行数值模拟和计算，并在时间和空间上定量的描述问题流场各离散点处的数据。
自1972年，Patankar提出应用计算流体力学进行换热器模拟以来，CFD技术在换热器的研究上也越发显示出其重要地位，作为研究流体流动的新方法，在化工领域得到了广泛地应用。
对于流化床的研究，Xu和Yu用离散粒子逼近法和CFD相结合的方法（DPM – CFD）研究了流化床中的气固两相流。Yang等人[1]使用二维两相湍流水力模型（
湍流模型）模拟向下流动的循环流化床中气固流体结构。该模型考虑了固体粒子对气相湍流结构的影响，计算采用基于SIMPLE算法的改进方法。对径向气体和固体粒子速度进行了预测，其结果与LDV测量值吻合。
对于涡轮搅拌器的研究，Bakker等人[2]提出应用CFD研究搅拌的方法：在计算搅拌釜流体之前，要把搅拌釜分成一些小单元，这一过程称为网格化。CFD模拟能否成功取决于能否产生合适的网格。网格生成后，质量，能量和动量守恒方程，以及表示湍流作用和发生化学反应而产生或消耗的物质的变量，都可以通过数值计算解得。计算的一个重要部分就是满足方程的边界条件，一般把壁面的流体速度定为零。Ljungqvist和Rasmuson[3]用CFD软件FLOW3D计算了存在气液界面和不存在气液界面（即封闭和敞口搅拌釜）两种情况下搅拌釜的流场。Bode[4]用STAR的CFD程序及由纽约ADAPCO开发的可以生成移动网格的子程序来研究三种混合过程：管道中的混合、静态混合器中的混合、装有涡轮叶片搅拌装置的混合槽中的流体流动。CFD和LDV（多普勒激光测速仪，Laser Doppler Velocimetry）相结合，可以更深入地研究搅拌装置。LDV测量数据可以验证CFD计算结果，并且使用LDV测定特定点的速度也可作为CFD计算的边界条件。此外PIV（粒子成像测速技术，Particle Imaging Velocimetry）与CFD结合，也被用于研究搅拌[8]。
其他方面，Rieger[4]用CFD探讨了转盘萃取塔中的两相流，他提出的模型可以详尽描述萃取塔中液-液流动的多维扩散，计算出两相的速度场和局部体积分率，这些结果有助于深入了解萃取过程。Hadson等人[5]用CFD研究精馏所用的规整填料。通过计算发现，填料中存在一个传质和传热效率较低的特定区域，通过改变填料的形状，以加强流体的径向和轴向混合。CFD计算表明，传热效率升高，根据这一结果设计出的新型填料，经实验表明填料的效率较高。Tierney等人也通过CFD软件计算了填料塔中流体运动。Crocker等人使用CFD研究喷嘴的流场，CFD的计算值和实验数据吻合。
CFD在化学反应工程领域也得到了广泛应用。Meier等人使用CFD设计和优化新型高温太阳能化学反应器。CFD模拟结果由冷模实验结果验证。Read等人使用Fluent商用软件计算了高压釜反应器的三维模型，包括反应器、旋转浆叶、聚合动力学、湍流模型，以及湍流反应速率模型。
3.小结
目前基于计算机技术的热流分析已经用于对自然对流、剥离流、震动流和湍流热传导等的直接模拟仿真，以及对辐射传热、多相流和高粘度流体流动的机理仿真模型等方面。在此基础上，利用CFD的分析结果和相对应的模型实验数据在换热器的模型设计和设计开发上提供依据。
参考文献：
[1]尹晔东，王运东，费维扬.计算流体力学（CFD）在化学工程中的应用[J].石化技术.2000，7（3）：166-169.
[2]Xu B.H.，Yu A.B..Numerical Simulation of the Gas-solid Flow in a Fluidized Bed by Combining Discrete Particle Method with Computational Fluid Dynamics[J].Chemical Engineering Science.1997，52（16）：2785-2809.
[3]Yang Y.L.，Zhu J.-X.，Jin Y.，et al..Investigation and Modeling of Cocurrent Downflow Circulating Fluidized Bed（downer）[J].Chemical Engineering Communications.1998，170：133-157.
[4]Bakker A.，Fasano J.B.，Leng D.E..Pinpoint Mixing Problems with Lasers and Simulation Software[J].Chemical Engineering.1994，101（1）：94-100.
[5]Ljungqvist M.，Rasmuson A.Comparison of the Hydrodynamics of Open and Closed Stirred Vessels[J].Chemical Engineering Communications.1998，165：123-150.
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