FLUENT直接接触式换热器模拟之一

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正文共： 1262字 10图预计阅读时间： 4分钟

1 前言

直接接触式换热器是一种高效的热能传递设备，其核心特点在于冷热流体直接混合接触进行热交换，完全省去了传统间壁式换热器中的固体传热壁面。这种设计消除了壁面热阻和污垢热阻，使得其传热效率极高，单位体积或单位面积的传热能力远大于间壁式换热器。常见的应用形式包括气液系统（如喷淋塔、填料塔用于气体冷却/加热、蒸汽冷凝、增湿/除湿）和液液系统（如搅拌混合罐）。它的工作原理主要依赖于两相流体的充分混合：一种流体被分散成液滴、气泡或薄膜（分散相），与另一种连续相流体在塔器或容器内逆流、并流或错流接触。巨大的、不断更新的相界面是高效传热的关键。其显著优势包括结构相对简单、成本较低、不易结垢、能处理含颗粒或易结垢流体、以及可利用相变潜热（如蒸汽直接接触冷凝）实现极高传热速率。然而，其应用也有严格限制：必须允许两种流体相互混合且不发生有害的化学反应或污染。流体间的互溶性、后续分离的难易程度以及允许的少量夹带是选型的关键考量。此外，流体力学行为（如气液系统中的液泛、压降）需要精确控制。尽管存在限制，在允许流体直接接触的工业场景（如电站冷却塔、化工吸收/解吸伴随传热、海水淡化、地热利用、冶金、食品加工等）中，直接接触式换热器凭借其卓越的效率和解决特殊工况的能力，是不可替代的重要选择。今天，我们做一个简单的案例模拟一下直接接触式换热器的工作。

2 建模与网格

创建如下的三维混合换热器，高温干空气从换热器底部进，从顶部出，冷水从中间进，底部出。划分多面体网格，节点数43.6万，最小正交质量0.43。

3 边界条件与求解设置

显然，空气和水是非相容的两种介质（暂不考虑空气的加湿），因此本案例必须采用多相流模型，我们采用VOF模型，液态水为主相，空气为次相。

基本的设置：开启能量项、开启重力项，不再赘述。

热空气入口设置为速度入口，速度2m/s，温度100℃，组分为100%空气。

冷水入口设置为速度入口，速度0.5m/s，温度25℃，组分为100%液态水。

热空气出口设置为压力出口，注意回流组分设置为100%空气，这个需要格外注意，如果误设置为液态水，则在迭代计算过程中若出现回流，可能造成计算发散。

冷水出口设置为压力出口，回流组分设置为100%液态水。

采用patch方法设置换热器内初始液位，这个设置很重要，我们没有必要把注水这个过程也模拟，对于给定流量，最终会有一个终了液位，此时入口流量和出口流量相等。

瞬态计算，时间步长0.001s。

4 计算结果

我们先看一下两个出口的温度曲线以及进出口流量、能量报表。当温度曲线平稳，质量和能量守恒时，判定计算获得稳态收敛解。

我们计算一下直接接触式换热器常用的容积换热系数Uv值，该设备的Uv值约为1.6kW/m³℃（通常，气液换热器的Uv值处于1-10kW/m³℃范围）。注意，连续相的体积通过该相的体积计算获取。有读者可能会提出一个显而易见的问题，那就是本案例没有考虑液态水的相变，液态水的相变潜热巨大，如果考虑这部分能量那么Uv值应该会有所提升，这个案例我们留到以后再做。

来源：仿真与工程

FLUENT氢气充装自动停止模拟

正文共： 1852字 3图预计阅读时间： 5分钟1 前言之前我们做过一个氢气充注过程仿真案例（基于FLUENT的高压氢气充注过程动态仿真，2022.5.8推文），该案例模拟了氢气充注过程的温度、压力变化情况。今天，我们继续做一些讨论，实际上氢气在充注时，当气瓶内的压力达到额定值后就应该停止充注，表征的情况物理情况就是充注口的流量在很短时间内降低为零。我们在做仿真计算时，如果是流量从某个值直接跳到零，那么就可以通过监测压力情况，当压力达到预设值时停止迭代，然后手动将流量降为零，这种做法有可能产生较大的波动造成计算发散。实际上，充注枪的关闭也是需要一段时间，只不过这个时间持续很短。因此，今天的案例我们在前文所述案例的基础上进行修改，通过UDF方法控制入口流量，实现这样一个过程：初始充注流量为0.0057kg/s，当监测到入口压力为30atm时，在0.05s内流量从初始值线性降低到0。2 求解设置入口流量采用UDF控制。其他的设置与原案例一致，本案例不再赘述。3 计算结果充注流量曲线、入口压力曲线如下图，基本上实现了上述的控制目标，这里还有一点计算误差就不做深入讨论了。案例源文件和UDF源代码如下，有需要的读者朋友有偿获取。UDF代码来源：仿真与工程