紧凑式换热器具有尺寸小、效率高的特点，在暖通空调、核电和电子设备等众多领域得到广泛应用。为了不断提高其传热效率，并减少装置中的压降，人们通过大量研究探索了诸如在设计中增加变形壁等创新概念。借助 COMSOL Multiphysics® 软件，您可以在设计进程中对各式动态壁换热器进行评估。
利用动态壁改进紧凑式换热器
与其他换热器相比，紧凑式换热器单位体积的传热面积要大得多，这通常归功于密集的板片或换热管阵列。这一特点使得它比传统的换热器重量更轻、结构更紧凑。不过，体型较小的换热器存在一个缺陷——即压降较高，这一缺点会限制流体的流动速度与换热器的传热量。
板框式换热器的示意图，这是一种常见的紧凑式换热器。
在参考文献 1中，研究人员探究了一个问题：是否可以使用动态壁来改善紧凑式换热器的性能？在动态壁变形时，所产生的振动有利于流体混合并减小热边界层的厚度，从而使换热器能够传递更多热量。此外，振荡可产生类似于蠕动泵的泵送效果。这就减少了换热器的压力损失，提高了换热器的效率。
振荡也许是提高紧凑式换热器性能的有效方法。为了测试这一想法，我们可以使用 COMSOL Multiphysics 轻松地创建与检验动态壁换热器的模型……
COMSOL Multiphysics® 中的换热器流-固耦合（FSI）建模
首先，我们模拟了没有动态壁的静态换热器，便于比较换热器的两种不同设计。
静态换热器的模型几何包括顶壁、底壁和通道。流体（此例中为水）流经通道，由于底壁被施加了热通量，因此流体温度平稳升高。我们将壁的传热速率设定为 125 W。出口处的探头决定了水离开换热器时的温度和质量流率。
静态换热器的几何结构。
第二步，基于下列参数指定顶壁变形：
- 时间
- 通道高度
- 通道长度
- 振荡频率
- 振荡幅度
- 通道长度方向上的波数
动画显示动态壁的变形。
如需了解动态壁换热器的完整建模细节，欢迎访问“案例下载”页面，下载模型文档和 MPH 文件。
为了模拟传热和振荡，我们耦合了两个内置特征。第一个是共轭传热 多物理场耦合特征，它可以计算换热器和水之间的热传递；第二个是移动网格 特征，它支持模拟壁面和通道的变形情况。
静态与振动换热器
最后，我们来查看换热器的静态分析结果。当顶壁保持平坦不动时，质量流率为 5.5 g/s时，换热系数为 2900 W/m2。
静态换热器通道中的温度曲线。
下一组是动态壁换热器的瞬态分析结果。振荡在大约 0.6 秒后进入伪周期状态。进入此状态后，平均质量流率达到 10.5 g/s，几乎等于静态条件下的两倍。不出所料，换热系数也变得更高：振荡幅度为 90％ 时约等于 19,000 W/m2。
左：温度和流率变化。右图：动态壁换热器通道中的温度曲线。
利用仿真，工程师可以有效地分析与优化换热器设计，从而获得最高性能和效率。
下一步操作
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参考文献
- P. Kumar, K. Schmidmayer, F. Topin, and M. Miscevic, “Heat transfer enhancement by dynamic corrugated heat exchanger wall: Numerical study,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 745, 2016.
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