【技术分享】一种高效的CFD方法在换热器设计中的应用

2017-03-31 by:CAE仿真在线来源:互联网

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