制冷系統(tǒng)節(jié)流機(jī)構(gòu)和換熱器中流動(dòng)與傳熱的數(shù)值仿真研究.pdf

1、數(shù)值仿真技術(shù)作為一項(xiàng)綜合應(yīng)用技術(shù)，已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于制冷系統(tǒng)的研究中。數(shù)值仿真不但可以避免大量重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間;而且可以獲知實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不易觀(guān)測(cè)到的一些參數(shù)，便于對(duì)研究對(duì)象的物理機(jī)理進(jìn)行深入理解和分析。此外，數(shù)值仿真也為現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑，為制冷系統(tǒng)的研發(fā)方向提供了可靠的理論指導(dǎo)。制冷系統(tǒng)的數(shù)值仿真主要針對(duì)流動(dòng)和傳熱問(wèn)題的研究，可以分為制冷劑側(cè)和空氣側(cè)兩個(gè)研究方向。對(duì)于制冷劑側(cè)來(lái)說(shuō)，又可分為臨界流動(dòng)和

2、非臨界流動(dòng)兩塊，盡管已有較多的數(shù)值仿真研究，但短管內(nèi)的兩相臨界流動(dòng)（臨界流動(dòng)），以及波紋型流道內(nèi)的流動(dòng)換熱（非臨界流動(dòng)）的數(shù)值研究還較為缺乏;對(duì)于空氣側(cè)來(lái)說(shuō)，目前大多數(shù)的數(shù)值研究還集中于干工況，而對(duì)于濕工況來(lái)說(shuō)，特別是空氣在析濕過(guò)程中熱質(zhì)傳遞的數(shù)值研究較少。本文分別針對(duì)以上三方面流動(dòng)和傳熱問(wèn)題進(jìn)行了如下研究和探討:
　　(1)制冷劑在短管內(nèi)兩相臨界流動(dòng)的數(shù)值仿真:本文建立了一個(gè)新的數(shù)值模型用于預(yù)測(cè)短管（節(jié)流短管）內(nèi)制冷劑的臨界質(zhì)量

3、流量。新模型不僅加入了制冷劑亞穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模擬，并且還通過(guò)對(duì)各種兩相臨界流動(dòng)解析模型的分析對(duì)比，得出數(shù)值仿真中應(yīng)采用NEM模型作為短管出口處制冷劑臨界流量的計(jì)算模型的結(jié)論。為了驗(yàn)證新模型的精度，本文將新模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和文獻(xiàn)中已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、本文中小管徑節(jié)流短管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及已有的兩流體模型進(jìn)行了對(duì)比分析。本文所開(kāi)發(fā)的數(shù)值模型在預(yù)測(cè)R-410A、R-407C和R-134a臨界質(zhì)量流量時(shí)的平均相對(duì)誤差分別為6.91％、5.33％和7.09％;在

4、對(duì)小管徑短管內(nèi)制冷劑R-22臨界質(zhì)量流量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)的平均相對(duì)誤差為4.42％;和已有的兩流體模型相比，新模型在制冷劑入口過(guò)冷度較高的情況下能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　(2)制冷劑在波紋型流道內(nèi)流動(dòng)換熱和壓降的數(shù)值仿真:波紋型流道內(nèi)流體的流動(dòng)換熱系數(shù)較大，但流體側(cè)壓降也普遍增大，因此有必要對(duì)波紋流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。板式換熱器是波紋流道的一個(gè)最為直接和廣泛的應(yīng)用，但是目前并沒(méi)有基于數(shù)值模型的較為快速和準(zhǔn)確的全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

5、，特別是對(duì)于正弦形人字波紋板換來(lái)說(shuō)。因此本文建立了一個(gè)用于模擬正弦形人字波紋板式換熱器內(nèi)單相湍流流動(dòng)的數(shù)值模型，并建立了板式換熱器的平行參數(shù)化數(shù)值仿真方法，不但能夠自動(dòng)生成計(jì)算網(wǎng)格和仿真算例，還可以同步輸出仿真計(jì)算結(jié)果。采用SSTκ-ω湍流模型可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)流體側(cè)的流動(dòng)換熱系數(shù)和壓降。本文基于近似輔助優(yōu)化技術(shù)(AAO)建立了元模型，用于建立輸入變量（如波紋結(jié)構(gòu)）和輸出響應(yīng)（如換熱系數(shù)和壓降）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并通過(guò)多目標(biāo)遺傳算法對(duì)波紋

6、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。帕累托優(yōu)化解表明，擁有較大面積放大系數(shù)ψ的板式換熱器的熱效率更高，提高面積放大系數(shù)能夠在增加相對(duì)較小壓降損失的前提下提高換熱系數(shù);增大波紋角度β也可以提高流體側(cè)的傳熱，但其最大值受到最大允許壓降的制約。
　　(3)空氣在析濕過(guò)程中熱質(zhì)傳遞的數(shù)值仿真:由于濕工況下翅片側(cè)同時(shí)存在顯熱和潛熱的傳遞，析濕過(guò)程對(duì)空氣側(cè)的傳熱有重要作用，而目前針對(duì)翅片表面熱質(zhì)傳遞的數(shù)值仿真研究較少，特別是對(duì)于濕翅片效率和熱質(zhì)傳遞類(lèi)比關(guān)系方

7、面。本文建立了濕工況下翅片管式換熱器空氣側(cè)熱值傳遞的數(shù)值模型，該模型不僅考慮了濕空氣中水蒸氣和液態(tài)水之間的熱質(zhì)傳遞，還加入了濕空氣中水蒸氣的直接冷凝模型，使得新數(shù)值模型更符合析濕過(guò)程中熱質(zhì)傳遞的機(jī)理。數(shù)值模型和文獻(xiàn)中已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，數(shù)值模型預(yù)測(cè)空氣側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均吻合的較好，兩者的最大相對(duì)誤差在±15％以?xún)?nèi)。新數(shù)值模型被用于分析濕工況下三種不同翅片效率之間的關(guān)系，以及翅片間距、管排數(shù)、空氣流速和相對(duì)濕度對(duì)三