关键词：换热器;;CFD仿真;;功率特性;;结构优化
摘 要：本文对一种水暖PTC加热系统进行研究,采用CFD仿真分析和试验相结合的方式,考察并分析它在乘员舱采暖工况下的压力损失特性、功率输出特性和效率特性。本文主要由如下几部分构成:1.加热系统物理模型的建立、传热学分析以及CFD仿真前处理。根据加热系统现有结构建立物理模型,并根据传热学理论对其传热机理和换热情况进行分析,此外,还完成了CFD仿真的前处理工作,包括网格的划分,边界条件的设置以及控制方程的选取;2.仿真计算分析,对各流量下的压力损失和速度分布进行分析,获得的压力损失情况为之后进行试验中水泵的匹配提供了数据,而速度分布云图有利于分析系统结构,流动速度较低的位置,往往是换热过程中换热较差的区域所在,通过对比不同流量下的系统中截面速度云图发现,10L/min流量下的速度分布梯度最小,工质流动分布最好;在分析系统输出性能的过程中,分别考察了流量、加热芯体居里温度、导热绝缘膜导热系数和进口温度对系统输出功率和加热面换热系数的影响,得到如下结论:流量的增加有利于提高系统的功率输出和改善加热面的换热系数;提高导热元绝缘膜的导热系数有利于降低加热过程中的导热热阻,提高系统的输出特性,当导热率达到7W/(m·K)时,对系统输出功率的提升已经不明显;提高加热芯体的居里温度本质上是通过提高换热温差的方法来增加换热量,但是分析表明,一味的提高T_C并不能达到这样的目标,恰恰相反,更高的T_C使加热系统的输出特性恶化;进口温度的提升,使系统的输出功率单调降低,但是对应的加热面传热系数却出现波动,出现进口温度升高,加热面换热系数也增大的情况;3.试验部分通过对比选定条件下的实际输出功率和电源功率来探讨加热系统的换热效率,同时也为仿真的准确性提供对比数据;4.结构优化部分根据传热学分析方法,否定了减小传热金属壁厚度的方法,确定了通过改善对流换热系数和增加换热面积的方法来减小传热热阻。用仿真分析的方法验证优化结构,分析表明通过改变流道截面形状和扰流结构尺寸的方法对改善流体侧的换热系数效果并不明显,功率提升微弱甚至会被削弱。增大流体侧换热面积的策略主要通过添加肋来实现,经过计算,在同等高度和厚度下,矩形肋的效率比三角形肋更高。通过分析矩形肋的功率特性和换热系数变化特性发现,它对单相流换热能力提升明显,而对沸腾换热提升的效果不显著。根据沸腾产生的原因分析,对矩形肋结构进行改进,获得网格状肋方案,它在兼顾加强单相流对流换热的同时,还提高了沸腾换热的能力,系统的输出特性得到进一步改善。
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