Flow Simulator 案例分享：换热器的一维仿真

换热器的 CFD 仿真

换热器广泛用于动力设备、空调系统和电子设备等冷、热介质的热量交换。由于结构上存在大量的管束和翅片结构，在 CFD 仿真中通常不会创建全细节模型，而是采用多孔介质和换热效率模型来简化。

各种类型的换热器

Flow Simulator 中的换热器模型

Altair 一维 CFD 模块 Flow Simulator 有 3 种方法模拟换热器，根据仿真的目的和已知条件可以选择：

1、Generic Heat Exchanger ，通常用于系统级仿真的一部分

用户输入：冷、热侧的压力损失系数，截面积，换热效率、功率等，这些参数都需要试验测试标定。

FlowSimulator 元器件库中的换热器模型

Generic Heat Exchanger 的属性

2、Plate Fin Heat Exchanger，通常用于系统级仿真或换热器本体的设计

用户输入：结构、尺寸和材料信息，比如：流动形式（Parallel / Counter / Cross），翅片类型（Rectangular / Triangular / Wavy / Louver），翅片的间距、厚度、板翅的材料等。

Plate Fin 换热器的属性

Plate Fin 换热器的结构示意图

矩形的 Fin

波浪形的 Fin

开缝的 Fin

3、流动网络和热网格法建模

用户输入：搭建流动网络和热网络详细模型，流动网络用 tube / pipe / orifice / flow / junction / bends 等单元，热网络用 convector / conductor 单元，通常用于换热器本体的设计或系统级仿真

换热器实物

换热器一维详细建模

Heat Exchanger 单元的用法

Heat Exchanger 单元一共有 4 个连接端口，红色代表热侧的进出，蓝色代表冷侧的进出。可以模拟液-液，空-空，液-空热交换。但是不支持冷热介质掺混。

换热器单元的 4 个连接端口

支持多个 Heat Exchanger 单元串、并联。如下图显示串联的 3 个换热器，热侧入口是高温润滑油，冷侧入口是理想状态空气。已知入口的温度和压力或流量，通过计算获得换热器实际换热量，冷热流体的温度变化，密度变化和压力降。

多个换热器串联

Heat Exchanger 的精度验证

对标模型信息来自教材《Fundamentals of Heat Exchanger Design》，作者 Ramesh K Shaw。在 Flow Simulator 中搭建 Plate Fin 换热器模型，求解换热效率，两侧流体出口温度和压力降。

cross flow 型空-空换热器

换热器参数

换热器精度验证

和三维 CFD 求解器 AcuSolve 的 Heat Exchanger 模型对比：

AcuSolve 换热器模型

Flow Simulator 换热器模型

AcuSolve（三维）和 Flow Simulator（一维）换热器模型对比，蓝色区域为计算结果

Heat Exchanger 应用案例

• 发动机舱冷却系统热平衡一维模型。控制器调节 Generic Heat Exchanger 的效率，查看冷却系统的温度响应。

• 发动机舱冷却系统热平衡一维模型。调节 Plate Fin Heat Exchanger 的翅片参数，查看系统的温度响应。

• 当换热器冷、热侧入口温度和流量变化，用控制器单元批量计算多工况。

• 通过搭建流动网络（管内侧+管外侧）和热网络（管壁导热和内外壁面对流）模拟换热器的换热性能。

换热器原理图

管内流（红色），管外流（蓝色）

换热器一维详细模型（局部）

换热器一维详细模型（top 视图）

热网络模型

换热器一维详细模型（side 视图）

换热器一维详细模型（等轴侧视图）

仿真结果显示，空气侧流量在换热器中心位置大，边缘小，因此造成热侧流体出口温度在边缘比中心位置高 5℃。

热侧流体出口（10 个出口）温度在中心和边缘位置的差异

换热器空间温度和流量

总 结

一维 CFD 仿真用于设计初期快速评估管路流动阻力、流量分配和换热器的性能匹配，将试验和仿真结合，可以在设计前期就规避散热风险，减少后期三维详细模型计算或实验验证的次数。

在使用 Heat Exchanger 单元之前，首先需要明确研究目的和对象，收集换热器的参数，包括几何参数或性能曲线等。通常一维 CFD 的稳态模型计算成本可以忽略，因此可以在短时间内进行大量参数的扫描。

Altair Flow Simulator 的换热器模型精度得到验证，可以对影响冷却系统的诸多因素进行详细分析，为换热器的系统匹配提供一种有效的方法，从而优化冷却系统的设计。

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