换热器的 CFD 仿真

　　换热器广泛用于动力设备、空调系统和电子设备等冷、热介质的热量交换。由于结构上存在大量的管束和翅片结构，在 CFD 仿真中通常不会创建全细节模型，而是采用多孔介质和换热效率模型来简化。

　　各种类型的换热器

　　Flow Simulator中的换热器模型

　　Altair 一维CFD模块 Flow Simulator 有3种方法模拟换热器，根据仿真的目的和已知条件可以选择：

　　1、Generic Heat Exchanger ，通常用于系统级仿真的一部分

　　用户输入：冷、热侧的压力损失系数，截面积，换热效率、功率等，这些参数都需要试验测试标定。FlowSimulator元器件库中的换热器模型Generic Heat Exchanger 的属性

　　2、Plate Fin Heat Exchanger，通常用于系统级仿真或换热器本体的设计

　　用户输入：结构、尺寸和材料信息，比如：流动形式（Parallel / Counter / Cross），翅片类型（Rectangular / Triangular / Wavy / Louver），翅片的间距、厚度、板翅的材料等。Plate Fin 换热器的属性Plate Fin 换热器的结构示意图矩形的Fin波浪形的Fin开缝的Fin

　　3、流动网络和热网格法建模

　　用户输入：搭建流动网络和热网络详细模型，流动网络用tube / pipe / orifice / flow / junction / bends等单元，热网络用convector / conductor单元，通常用于换热器本体的设计或系统级仿真换热器实物换热器一维详细建模

　　Heat Exchanger 单元的用法

　　Heat Exchanger 单元一共有4个连接端口，红色代表热侧的进出，蓝色代表冷侧的进出。可以模拟液-液，空-空，液-空热交换。但是不支持冷热介质掺混。换热器单元的4个连接端口

　　支持多个 Heat Exchanger 单元串、并联。如下图显示串联的3个换热器，热侧入口是高温润滑油，冷侧入口是理想状态空气。已知入口的温度和压力或流量，通过计算获得换热器实际换热量，冷热流体的温度变化，密度变化和压力降。多个换热器串联

　　Heat Exchanger 的精度验证

　　对标模型信息来自教材《Fundamentals of Heat Exchanger Design》，作者Ramesh K Shaw。在Flow Simulator中搭建Plate Fin换热器模型，求解换热效率，两侧流体出口温度和压力降。cross flow 型空-空换热器换热器参数换热器精度验证

　　和三维CFD求解器 AcuSolve 的 Heat Exchanger 模型对比：AcuSolve 换热器模型Flow Simulator 换热器模型AcuSolve（三维）和 Flow Simulator（一维）换热器模型对比，蓝色区域为计算结果

　　Heat Exchanger 应用案例发动机舱冷却系统热平衡一维模型。控制器调节 Generic Heat Exchanger 的效率，查看冷却系统的温度响应。发动机舱冷却系统热平衡一维模型。调节Plate Fin Heat Exchanger 的翅片参数，查看系统的温度响应。

　　当换热器冷、热侧入口温度和流量变化，用控制器单元批量计算多工况。通过搭建流动网络（管内侧+管外侧）和热网络（管壁导热和内外壁面对流）模拟换热器的换热性能。换热器原理图，管内流（红色），管外流（蓝色）换热器一维详细模型（局部）换热器一维详细模型（top视图）热网络模型换热器一维详细模型（side视图）换热器一维详细模型（等轴侧视图）

　　仿真结果显示，空气侧流量在换热器中心位置大，边缘小，因此造成热侧流体出口温度在边缘比中心位置高5℃。热侧流体出口（10个出口）温度在中心和边缘位置的差异换热器空间温度和流量

　　总 结

　　一维CFD仿真用于设计初期快速评估管路流动阻力、流量分配和换热器的性能匹配，将试验和仿真结合，可以在设计前期就规避散热风险，减少后期三维详细模型计算或实验验证的次数。

　　在使用 Heat Exchanger 单元之前，首先需要明确研究目的和对象，收集换热器的参数，包括几何参数或性能曲线等。通常一维CFD的稳态模型计算成本可以忽略，因此可以在短时间内进行大量参数的扫描。

　　Altair Flow Simulator 的换热器模型精度得到验证，可以对影响冷却系统的诸多因素进行详细分析，为换热器的系统匹配提供一种有效的方法，从而优化冷却系统的设计。

部分内容来源于网络，仅用于学习分享，如发现有侵权，请及时联系删除，谢谢。