不同翼型涡产生器扁管板翅式换热器流动与传热性能的POD分析

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传统的有限容积法(FVM)在数值分析复杂结构流动与传热问题时存在计算存储空间大、耗时长等不足,随着工业技术的快速发展,急需开发一种快速而准确的计算方法。本征正交分解(POD)方法能够减少描述物理过程中所储存的数据量,大大缩短计算时间,并保证准确性。但是,POD技术用于流动与传热问题的现有研究中,大部分基于简单的物理模型和单一的热边界条件,这些条件与物理实际存在一定的偏差。本文针对带有不同翼型涡产生器的扁管板翅式换热器,首次建立了基于适体坐标系、在耦合传热边界条件下的POD降阶模型,并对POD方法的适用性进行了分析讨论。主要工作为:(1)在适体坐标系下对安装有三种不同翼型(直角三角形翼、等腰三角形翼、矩形翼)涡产生器的扁管板翅式换热器的物理模型进行计算区域离散,采用FVM建立了求解带有这三种翼型涡产生器的扁管板翅式换热器的高阶求解模型,并在耦合边界条件下进行了流动与传热性能的多工况模拟计算,为POD方法的应用提供了样本。(2)采用拉格朗日插值、线性插值和牛顿插值的方法求解谱系数;采用SVD(Singular Value Decomposition)方法从FVM高阶模型样本中提取基函数;结合谱系数和基函数,建立了适合于求解带涡产生器的扁管板翅式换热器中流动与传热问题的POD降阶模型,重构了不同工况下的温度场和速度场。(3)分析了空气侧雷诺数、翅片间距和横向管间距等参数变化对流动与传热性能的影响,并将POD降阶模型的计算结果与FVM高阶模型计算结果进行了对比。研究表明:所建立的POD降阶模型能够很好地预测耦合边界条件下的复杂物理场问题,具有较高的计算精度,计算耗时是FVM方法的1/12472~1/1204。通过对比三种翼型涡产生器式扁管板翅式换热器换热单元POD降阶模型的重构过程和重构结果,发现在耦合边界条件下,POD降阶模型对不同翼型结构涡产生器的换热器中速度场与温度场计算精度是一致的。从参数变化对物理场的影响来看,空气侧雷诺数与换热单元温度场及速度场的关联性最强,翅片间距和横向管间距分别变化时的影响较小。不同插值方法重构的物理场的精度差别较大,在三种插值方法中,拉格朗日插值法得到的精度最高,牛顿插值法得到的精度最低。在拉格朗日插值重构结果下,温度场最大平均相对偏差为0.0113%,在等腰三角形翼Tp=5.0mm,S1=40mm,Rea=500时取得;速度场最大平均相对偏差为0.00168%,在矩形翼Tp=5.0mm,S1=40mm,Rea=500时取得。在牛顿插值重构结果下,温度场最大平均相对偏差为1.1200%,在直角三角形翼Tp=5.0mm,S1=40mm,Rea=1700时取得,速度场最大平均相对偏差为1.36125%,在等腰三角形翼Tp=5.0mm,S1=40mm,Rea=500时取得。本文是将POD降阶模型用于对比三种不同翼型涡产生器扁管板翅式换热器的流动与传热的研究,探索了POD降阶模型在复杂结构和复杂边界条件换热器数值分析中的可行性和可靠性,为提高带涡产生器的扁管板翅式换热器数值设计效率、拓展POD技术的工程应用领域提供理论参考。
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