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

1、數(shù)值仿真技術(shù)作為一項綜合應用技術(shù)，已經(jīng)被越來越廣泛地應用于制冷系統(tǒng)的研究中。數(shù)值仿真不但可以避免大量重復的實驗，節(jié)省實驗成本和時間;而且可以獲知實驗過程中不易觀測到的一些參數(shù)，便于對研究對象的物理機理進行深入理解和分析。此外，數(shù)值仿真也為現(xiàn)有產(chǎn)品的優(yōu)化設計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。制冷系統(tǒng)的數(shù)值仿真主要針對流動和傳熱問題的研究，可以分為制冷劑側(cè)和空氣側(cè)兩個研究方向。對于制冷劑側(cè)來說，又可分為臨界流動和

2、非臨界流動兩塊，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（臨界流動），以及波紋型流道內(nèi)的流動換熱（非臨界流動）的數(shù)值研究還較為缺乏;對于空氣側(cè)來說，目前大多數(shù)的數(shù)值研究還集中于干工況，而對于濕工況來說，特別是空氣在析濕過程中熱質(zhì)傳遞的數(shù)值研究較少。本文分別針對以上三方面流動和傳熱問題進行了如下研究和探討:
　　(1)制冷劑在短管內(nèi)兩相臨界流動的數(shù)值仿真:本文建立了一個新的數(shù)值模型用于預測短管（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)流動模擬，并且還通過對各種兩相臨界流動解析模型的分析對比，得出數(shù)值仿真中應采用NEM模型作為短管出口處制冷劑臨界流量的計算模型的結(jié)論。為了驗證新模型的精度，本文將新模型的預測結(jié)果和文獻中已有的實驗數(shù)據(jù)、本文中小管徑節(jié)流短管的實驗數(shù)據(jù)以及已有的兩流體模型進行了對比分析。本文所開發(fā)的數(shù)值模型在預測R-410A、R-407C和R-134a臨界質(zhì)量流量時的平均相對誤差分別為6.91％、5.33％和7.09％;在

4、對小管徑短管內(nèi)制冷劑R-22臨界質(zhì)量流量進行預測時的平均相對誤差為4.42％;和已有的兩流體模型相比，新模型在制冷劑入口過冷度較高的情況下能較為準確地預測已有的實驗數(shù)據(jù)。
　　(2)制冷劑在波紋型流道內(nèi)流動換熱和壓降的數(shù)值仿真:波紋型流道內(nèi)流體的流動換熱系數(shù)較大，但流體側(cè)壓降也普遍增大，因此有必要對波紋流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。板式換熱器是波紋流道的一個最為直接和廣泛的應用，但是目前并沒有基于數(shù)值模型的較為快速和準確的全局優(yōu)化設計方法

5、，特別是對于正弦形人字波紋板換來說。因此本文建立了一個用于模擬正弦形人字波紋板式換熱器內(nèi)單相湍流流動的數(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，不但能夠自動生成計算網(wǎng)格和仿真算例，還可以同步輸出仿真計算結(jié)果。采用SSTκ-ω湍流模型可以較為準確地預測流體側(cè)的流動換熱系數(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（如換熱系數(shù)和壓降）之間的對應關(guān)系，并通過多目標遺傳算法對波紋

6、結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。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)同時存在顯熱和潛熱的傳遞，析濕過程對空氣側(cè)的傳熱有重要作用，而目前針對翅片表面熱質(zhì)傳遞的數(shù)值仿真研究較少，特別是對于濕翅片效率和熱質(zhì)傳遞類比關(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程中熱質(zhì)傳遞的機理。數(shù)值模型和文獻中已有實驗數(shù)據(jù)的對比表明，數(shù)值模型預測空氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)和實驗數(shù)據(jù)均吻合的較好，兩者的最大相對誤差在±15％以內(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)、空氣流速和相對濕度對三