本案例演示Fluent中的Heat Exchanger模型。

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案例介绍

本案例利用Heat Exchanger模块模拟换热器换热。如图所示为一个单程换热器。

流动参数如表所示。

边界参数	参数值
空气入口温度（Ta_in）	48.89℃
冷却液入口温度(Tc_in)	115.56 ℃
空气质量流量(mdot_a)	1.140 kg/s
冷却液质量流量(mdot_c)	2.87 kg/s
总散热量	57345.96 w

利用输入边界条件计算得到总散热量，并与57345.96 w进行对比，以验证模型。

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Fluent设置

2.1 启动Fluent

• 启动Fluent，激活选项Double Precision

• 选择3D模式，点击OK按钮启动Fluent

2.2 读取网格

• 利用菜单File → Read → Mesh…打开文件选择对话框，选择网格文件wedge.msh.gz

计算网格如图所示。

2.3 缩放网格

• 双击模型树节点General，点击右侧面板按钮Scale…，弹出模型缩放对话框

• 设置Mesh Was Created In选项为mm，点击按钮Scale缩放网格

• 点击Close按钮关闭对话框

2.4 Models设置

• 右键选择模型树节点Models > Energy，点击弹出菜单项On激活能量方程

• 双击模型树节点Models > Heat Exchanger，弹出Heat Exchanger Model参数设置对话框，激活选项Ungrouped Macro Model及Macro Model Group，如下图所示

• 点击Ungrouped Macro Model选项后方的Define…按钮，弹出参数设置对话框

• 打开Model Data标签页，激活选项Fixed Inlet Temperature，设置Auxiliary Fluid Temperature为115.56℃，设置Primary Fluid Temperature为48.89001℃

• 点击上图中按钮Heat Transfer Data…弹出换热参数设置对话框，点击按钮Read…，在弹出的文件选择对话框中选择文件rad.tab

软件读入文件后自动显示文件内容，如下图所示，对应着主流体及副流体质量流量条件下的换热量矩阵。点击OK按钮关闭对话框返回至Heat Exchanger Model参数设置对话框。

• 切换至Geometry标签页，设置Number of Passes为1，设置Number of Rows/Pass为1，设置Number of Columns/Pass为1

• 设置Auxiliary Fluid Inlet Direction(Height)为(0 -1 0)

• 设置Pass-to-Pass Direction(width)为(1 0 0)

• 点击Apply按钮确认设置，点击OK按钮关闭对话框

• 切换到Auxiliary Fluid标签页，设置Auxiliary Fluid Specific Heat为3559 j/kg-k

• 设置Auxiliary Fluid Flow Rate (kg/s)为2.870001

• 设置Inlet Temperature (c)为115.56 ℃

• 点击Apply按钮并关闭Ungrouped Macro Heat Exchanger对话框

2.5 Boundary Conditions

• 双击模型树节点Boundary Conditions > inlet，弹出质量流量入口设置对话框

• 设置Mass Flow Rate为1.14 kg/s，设置Direction Specification Method为Normal to Boundary

• 点击OK按钮关闭对话框

注意：

一般情况下不可压缩流动计算，速度入口要比流量入口用得更多。

• 切换至Thermal标签页，设置Total Temperature为48.89 ℃，点击OK按钮关闭对话框

• 鼠标双击模型树节点Boundary Conditions > outlet，弹出出口条件设置对话框

• 切换至Thermal标签页，设置Backflow Total Temperature为48.89 ℃

• 点击OK按钮关闭对话框

2.6 Methods

• 鼠标双击模型树节点Solution > Methods，右侧面板中设置Scheme为Coupled

• 激活选项Warped-Face Gradient Correction及High Order Term Relaxation

2.7 Controls设置

• 鼠标双击模型树节点Solution > Controls，右侧面板中设置Flow Courant Number为50

• 修改Energy亚松弛因子为0.8

2.8 Initialization

• 右键选择模型树节点Solution > Initialization，点击弹出菜单项Initialize初始化

2.9 Run Calculation

• 双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中设置Number of Iterations为200

• 点击按钮Calculation进行计算

大约35步迭代后计算收敛。

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计算后处理

3.1 统计总散热量

• 鼠标双击模型树节点Results > Reports > Heat Exchanger，弹出换热器数据统计对话框，选择Option选项为Computed Heat Rejection，选择Heat Exchanger列表项rad-cells，点击按钮Compute进行计算

• 如图所示，计算得到的散热量为57343.12 W

3.2 计算出口平均温度

• 鼠标双击模型树节点Results >Reports > Surface Integrals，弹出设置对话框

• 设置Report Type为Area-Weighted Average，设置Field Variable为Temperature…

• 选中Surface列表项outlet

• 点击Compute按钮进行计算

如图所示，出口平均温度为372.0195 K

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修改模型

前面计算的换热器是单个换热单元，这里修改换热单元数量。

• 双击模型树节点Models > Heat Exchanger打开模型设置对话框

• 点击Ungrouped Macro Model后方的Define…按钮打开参数设置对话框

• 设置Number of Passes为60，设置Number of Column/Pass为70

• 点击Apply按钮并关闭对话框

• 双击模型树节点Run Calculation，右侧面板中点击按钮Calculate进行计算

计算完毕后统计散热量为58234.01 W，如下图所示。

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总结

• Fluent中的Heat Exchanger模型非常复杂，不过相比较换热器真实建模来讲要简单得多

• Heat Exchanger模型需要输入大量的实验数据，否则计算误差非常大

• Dual Cell Model模型可用于构建更为复杂的换热器，不过模型也更加的复杂

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道