单流体热交换器

在单流体热交换器中，假设一个流体具有统一温度，并通过指定热交换器焓源对其他流体建模。

本节定义 Simcenter STAR-CCM+ 中的热交换器焓源含义，介绍如何激活此热交换器类型并指定其属性。单流体热交换器公式中介绍了此热交换器的公式。

热交换器焓源

热交换器焓源是在区域中引入或移除指定的热流量的设备。

相对于用户指定的参考温度的局部温度用于建立此设定热源或散热量在区域空间中的分布。采用这种方式，流体中热量的分布便类似于热交换器中的情况。它仅与一个流体束相关联，是模型的净源或净汇，而不是从一个连续体到另一个连续体的传递。

此设备是一种用于在模型中包含（或排除）已知热负载的简单方法，其所需的工作量和计算量均最少。应用示例包括空调蒸发器、冷凝器、增压空气冷却器、散热器、电加热器和电子设备。

相对而言，该方法对网格尺寸不太敏感，且使用与网格精细程度对应的分辨率。

“能量源选项”可激活热交换器焓源。

单流体热交换器工作流

选择能量模型。
不要选择欧拉多相混合物和流体体积 (VOF) 多相模型以外的欧拉多相流模型；仅这些模型与热交换器模拟兼容。
选择区域 > [区域节点] > 物理条件 > 能量源选项，并将能量源选项属性设为热交换器。
选择[区域节点] > 物理条件 > 热交换器出口温度指定，并将出口温度属性设为推断或指定：
- 推断表示推断出口温度 $T_{o u t}$ 。然后，必须使用物理值下的热交换器总能量比率节点指定传热率 $Q$ 。
- 指定表示使用物理值下的目标出口温度节点指定出口温度 $T_{o u t}$ 。然后推断传热率 $Q$ 。
设置热交换器属性。[区域节点] > 物理值下方将提供这些属性的节点：
- 热交换器最小温度差
- 热交换器边界
- 热交换器第一次迭代
- 热交换器温度

物理值

热交换器总能量比率

此节点的值可设置进出设备的固定传热率

Q_{t o t a l}

，其测量单位通常为瓦特。此物理量表示热交换器焓源的能量传递总量。

热交换器最小温度差

此节点的值表示以下对象之间的最小允许温度差：

指定的热交换器温度与加热器的最大流体温度（即当指定的热交换器总能量比率为正时）
指定的热交换器温度与冷却器的最小流体温度（即当指定的热交换器总能量比率为负时）。

对于加热器，假设热流体具有无限的热容值，并且指定的热交换器温度 $T_{h}$ 指热流体的固定温度。现在，给定热交换器总能量比率 $Q$ 、入口冷流体温度 $T_{c i}$ 和冷流体比热 $c_{p c}$ 时，可使用能量平衡来预测冷流体出口温度 $T_{c o}$ ，如下所示：

图 1. EQUATION_DISPLAY

T_{c o} = T_{c i} + \frac{Q}{{\dot{m}}_{c} c_{p c}}

(200)

其中 ${\dot{m}}_{c}$ 是冷流体的质量流率。实际上，不可能存在 $T_{h} < T_{c o}$ 。但是，如果错误地将热交换器温度值指定为低于热交换器中的最大冷流体温度，可以使用指定的热交换器最小温度差来校正热交换器温度。热交换器温度始终高于预测的最大冷流体温度。发生这种错误时，控制台上会显示一条警告消息，表明热交换器温度指定被确认为不实际。

同样，对于冷却器，假设冷流体具有无限的热容值，并且指定的热交换器温度 $T_{c}$ 指冷流体的固定温度。现在，给定热交换器总能量比率 $Q$ 、入口热流体温度 $T_{h i}$ 和热流体比热 $c_{p h}$ 时，可使用能量平衡来预测热流体的出口温度 $T_{h o}$ ，如下所示：

图 2. EQUATION_DISPLAY

T_{h o} = T_{h i} - \frac{a b s (Q)}{{\dot{m}}_{h} c_{p h}}

(201)

其中 ${\dot{m}}_{h}$ 是热流体的质量流率。实际上，不可能存在 $T_{c} > T_{h o}$ 。但是，如果错误地将热交换器温度值指定为高于热交换器中的最小热流体温度，可以使用指定的热交换器最小温度差来校正热交换器温度。热交换器温度始终低于预测的最小热流体温度。发生这种错误时，控制台上会显示一条警告消息，表明热交换器温度指定被确认为不实际。

热交换器边界

此区域值节点的属性用于指定热交换器（单流体）报告所使用的上游流体和下游流体交界面边界：

Upstream Interface Boundary(上游流体交界面边界)：选择流体进入热交换器区域时通过的交界面边界。
Downstream Interface Boundary(下游流体交界面边界)：选择流体离开热交换器区域时通过的交界面边界。

此节点假设热交换器区域与两个其他区域相连接，如下图所示。

热交换器第一次迭代

使用此节点来设置第一次热交换迭代，从该迭代开始，热交换器焓源处于活动状态，并开始对能量方程的源项产生作用。

理想情况下，当流体求解开始符合其最终模式（至少在方向方面）时，激活热交换器源项。对于复杂程度中等的几何，通常可在流动求解器的前 50 次迭代中实现符合性。

热交换器温度

此区域值节点表示热交换器焓源的参考温度

T_{r e f}

。它作为标量分布输入。

将从参考温度 $T_{r e f}$ 中减去每个网格单元的局部流体温度，以确定网格单元中传入和传出的相对热量。请参见 Eqn. (225)。

目标出口温度

此节点的属性可用于指定出口处的温度（目标出口温度），同时使 Simcenter STAR-CCM+ 可以计算总传热率（显示为只读属性）。可以选择设置亚松弛因子来控制当 Simcenter STAR-CCM+ 计算传热率时新计算取代旧计算的范围。

当热交换器出口温度指定区域条件节点的出口温度属性设为“指定”时，此节点变为可用。