01 研究背景

换热器（Heat Exchanger）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器应用广泛可，作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。对换热器进行流体仿真，能帮助了解换热器内冷热流体的温度分布和热量交换效率，对指导换热器的设计具有重大意义。由于换热器对热量交换效率的要求，换热器从流体进口到交换区再到出口的尺度变化较大，图一展示了一个常见换热器的尺寸变化。在这种情况下，如果对换热器进行全计算流体力学（CFD）仿真，需要较大网格量才能保证网格质量，这就使得CFD仿真变得复杂和昂贵。为了节约计算成本且保证计算准确度，本案例提出了不同尺度区域分开建模再耦合的方法进行CFD仿真，分区如图2所示。

图1 换热器尺寸变化

图2 换热器尺度分区

02 模型建立

本案例选取了如图所示的换热器几何模型作为研究对象，由于换热器是对称的，只需研究一半的换热器。该模型的上表面为对称面，模型包含6个热通道和6.5个冷通道，通道之间由12个固体片隔开。热流体的流动方向为x，冷流体的流动方向为-z。

图3 换热器几何模型

首先对通道外的区域构建流体仿真网格，通道内区域宽度方向用一层网格来模拟，得到整个通道的平均量。过渡区网格如下图所示，模型共包含为3 000 000单元。

图4 过渡区网格

对于通道内的流体，我们构建了一个元模型（Metamodel），建立了一个链接输入和输出的I/O近似模型。对单个通道单独建模，使用多孔介质模型模拟单个通道内流体流动，多孔介质的参数如图2所示，得到通道内流体温度分布如图5所示。同时得到了输出参数Nu和Cf与输入的关系。使用克里金法（Kriging）对48次单通道模拟得到的Nu值和139次模拟得到的Cf值进行插值，得到Re=8000时的响应平面，结果如图6所示。

图5 多孔介质模型模拟通道内流体温度分布结果

图6 Re=8000时的响应平面

通过在每次流体计算结束后，根据得到的结果，获取Re。调用我们构建的元模型，将获得的Re作为输入，得到Nu和Cf。将获得的Nu和Cf给的流体计算区，得到换热系数和压头损失。这样就完成了两种模型的耦合。

03 仿真结果

使用code_saturne耦合两个模型进行计算，下图分别展示了换热器内流线图、速度云图和压力云图。

图7 通道外区域流线图

图8 换热器内速度和压力云图

下表展示了元模型输出的各通道的速度、Re、Nu和Cf值。图9展示了流体仿真得到的各通道的Nu云图。可以发现，两个模型得到的结果是一致的，说明两种模型得到了较好的耦合。

表1 各通道的速度、Re、Nu和Cf

图9 通道内Nu云图

图10展示了换热器内的温度分布，可以看出热流体流过通道逐渐降温。

图10 换热器内温度场分布

04 结论与展望

本案例使用code_saturne耦合元模型，解决了尺度变化较大的换热器模拟复杂的问题。模拟结果较好地预测了换热器内的温度分布情况，验证了code_saturne计算换热和温度分布的能力，同时也证明了code_saturne具有较好的耦合能力，能与各种外部模型进行耦合计算。

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