摘要 1 　　為了更加確定模擬的準確性，設計了一套封閉式的迴路，進行精確嚴謹的實驗。整體實驗的迴路示意圖如圖3所示。 　　本研究以Fluent計算流體力學（Computational Fluid Dynamics ,CFD）電腦軟體的模擬來進行分析討論。模擬部分，依照板片實際尺寸繪製其模擬圖形，取不同雷諾數（Re1500 ~ Re5500）相對應的入口流體速度，以水作為工作流體，採用FLUENT提供不同的紊流模組k-ε standard（包括不同的wall function: standard、Non-equilibrium、Enhance）、k-ε RNG（standard、Non-equilibrium、Enhance）、k-ε Realizable（standard、Non-equilibrium、Enhance）和k-ω standard、k-ω SST模組進行模擬分析 ，來觀察流場中的速度變化和壓力變化。模擬分析的結果經由實驗來加以驗證，以確定所採用的物理模型及數值方法適用的情況。結果顯示11組不同紊流模組中又以k-ε（realizable-Enhance）模組最為接近實驗值，也就是準確度最高。當雷諾數小時，實驗結果可被模擬分析準確預測，隨著雷諾數增加，預測結果誤差加大，但最大誤差百分比為18%以下，其正確性是相當高的，可做為參考之用。 整體迴路的流程，水從幫浦吸入打到管 路裡，流經閘閥經過壓力計到達板式熱交換 器的入口，而超過預定流量的水經由球閥流 回不鏽鋼水槽。水流過錯綜複雜的板道後， 從板式熱交換器的出口流出，經過壓力計、 限制水流的流量計，之後流回不鏽鋼水槽重 新再循環。 前 言 2 圖3：實驗迴路示意圖 　　近年來於人口數越來越多，相對的能源使用量也大大提升，有些能源過不久後將會消耗殆盡，現在科學家們除了加緊開發新的能源外，提高能源的使用效率一直是大家努力的重點，而如何有效設計、製造或及提高熱交換器設備或系統之使用效率更是能源有效利用的主要方法之一。由於傳統的熱交換器，其體積大、熱傳性能已到達極限，難以再提升，且要花費巨額來製造，不符合經濟效益，因此研發新型式或高效率熱交換器及設備，便是一個非常迫切的問題。近年來新型熱交換器的研發一直朝向輕薄短小的方向進行著，而板式熱交換器即是針對這項需求而研發出來之新型式熱交換器。所以依經濟效益、有效利用能源和環保這些條件下，開發高效率、體積小及重量輕的新型熱交換器，便受到高度重視與發展，而板式熱交換器目前在熱交換器中為極具有潛力。 在1978年Price等人[1]利用染料注入方法觀察板式熱交換中流動的情形，在低雷諾數下，流體呈一直線流動，但雷諾數增加時，流體開始呈Z字型流動，流體沿著流道流動，到板片邊緣時，則會在沿相鄰板片之流道折回。 1984年Edwards[2]等人對於板式熱交換器流道間的流場與壓力分佈亦做了相關的探討，對U型排列(流體進出口均在同一側)而言，板片間之流道離進出口處越遠，其流體流率與進出口之壓降便越小；但對Z型排列(流體進出口在不同側)而言，其流體流率與進出口之壓降則越大，因此板片數越多，則流體在每個板片間之壓降與流動分佈越不均勻。1985年Focke[3]等人對於不同斜紋的板片提出熱傳及壓降的關係式；其研究還指出板片擁有最大的熱傳量發生在傾斜角約80度左右，且當傾斜角繼續增加時，熱傳效果反而下降，壓降也隨之減少。1999年Manglik和Metwally[4]對T(山型紋振幅除以山型紋間距)及不同雷諾數的流體在板片流動的情形做比較。他們認為流體在T值較大的板片中流動，或流體流速較快者，容易發生二次渦流，使熱傳量增加。 1998年黃慶初等人[5]以實驗方法來探討不同黏滯係數的工作流體對板式熱交換器之熱傳與壓降性能的影響。黏滯係數較小者有較佳的熱傳和壓降比；即在相同的油側流量和壓降下，黏滯係數較低者其板片有較大的單位面積熱傳量。他們還對波紋節距對壓降與熱傳的影響做了分析，認為較小的波紋節距會有較高的熱傳效率，其原因為波紋節距減少，可以增加單位長度的接觸面積，使熱傳的效果更好，但壓降也相對增加。本研究以Fluent計算流體力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）電腦軟體的模擬來進行分析討論，首先以Fluent套裝軟體對兩相鄰板片間通道內的三維流場變化作分析，來觀察流場中的速度變化和壓力變化。模擬分析的結果經由實驗來加以驗證，以確定所採用的物理模型及數值方法適用的情況。 結果與討論 4 本研究採用FLUENT提供不同的紊流模組k-ε standard（包括不同的wall function: standard、 Non-equilibrium、Enhance）、k-ε RNG（standard、Non-equilibrium、Enhance）、k-ε Realizable （standard、Non-equilibrium、Enhance）和k-ω standard、k-ω SST模組進行模擬分析。圖4為FLUENT 各模組計算的壓降結果比較。結果顯示採用不同模組，其趨勢都相同，隨著雷諾數的增加，壓降值也跟 著增加，原因為流體速度增加，遇到流道內複雜的形狀阻力及摩擦阻力，因此造成阻礙流體往下游進行 ，且邊界層不斷的形成與破壞，流體通道的劇烈變化所造成的。經由比較實驗結果與模擬分析結果，可 得CFD模擬分析預測的準確度相當高。圖5為所有模擬模組最大及最小壓降和實驗壓降的對照圖，由此 圖可說明實驗之壓降落於模擬壓降結果範圍內。 圖4：模擬分析與實驗的壓降結果比較 圖5：所有模擬模組最大及最小壓降和實驗壓降的對照圖 內容 3 圖6為Re=1500和Re=5500壓力截面圖，在低雷諾數時，因為流體速度比較慢，整體壓力變化不大， 而在高雷諾數時，不但因為流體速度比較快，且受到摩擦阻力的影響比較大，所以整體壓力表現較為明 顯。出口埠也隨著雷諾數的增加而有所變化，低雷諾數的時候比較不明顯，而高雷諾數時有著漩渦狀的 壓力分佈。圖7為Re=1500和Re=5500速度截面圖，由圖可知道上板片右上方的速度比較快，下板片左上 方的速度比較快，這可能的原因為流道的紋路設計，使水的流向順著溝槽的方向所造成的。板片中間的 速度也較快的，這是因為板片結構是屬於傾斜角度，水會隨著傾斜角度的關係而集中於此，造成此地區 的速度大於其它地方。當接近出口埠，因流體由扁平通道向出口埠集中，此地區的速度明顯上升許多， 之後以旋渦方式流出去，造成中間速度最小，周圍速度最大，這些情形在高雷諾數比較明顯。 本文之數值模擬主要是利用GAMBIT輔助軟體來建構物理模型並設定相關尺寸，再用Fluent輔助軟體進行分析計算及後處理，其主要架構如下所示： 1.前處理部分：利用GAMBIT進行幾何外型的建立、網格的生成及邊界類型的定義。 2.程式運算核心部分：Fluent提供三種不同的解法型式：分離解 （Segregated-implicit）、顯式耦合解及 隱式耦合解（coupled-explicit/implicit）。 3.後處理部分：包含結果輸出、繪圖可視化及數據報告和分析等。 山型紋板片之幾何結構如圖1所示，表1說明圖中代號的尺寸。 圖1：山型紋板片之幾何結構 表1：山型紋板片之幾何尺寸 開啟Gambit，使用點、線、面、體畫出板式熱交換器板片的幾何形狀。由於本文只探討一個流道，所以只有一對出、入口埠，繪製完成 如圖2所示。 本研究主要探討的範圍為雷諾數1500 ~5500，隨著雷諾數的不同，進入埠口的 流體速度也不同，從低流速到高流速時， 其壓降產生極大的變化，所以在Fluent的 一些參數設定上就要做一些符合流動狀態 的改變。由於研究所取的雷諾數範圍都在 紊流區，所以在運算黏滯模組的類型 （Viscous Model）中，我們採用k-epsilon （k-ε）的三種型式（standard、RNG、 realizable）和k-omega（k-ω）的兩種型式 （standard、SST）來對不同雷諾數所產生 的情形做運算。以液態水作為分析流體。 之後隨著雷諾數的不同，改變水流進入口 的速度、紊流強度，以觀察流道內部壓力 、速度之分佈情形。 　 Material Stainless steel LT Length（mm） 280 L Effective Length（mm） 240 WT Width（mm） 108 Wp Effective Width（mm） 68 β Corrugation angel（mm） 65 PC Wavelength of corrugation（mm） 7.8 bC Distance between plates（mm） 2.3 Xp Thickness（mm） 0.3 圖6：左圖為Re=1500壓力截面圖， 右圖為Re=5500壓力截面圖。 圖7：左圖為Re=1500速度截面圖， 右圖為Re=5500速度截面圖。 圖8為從入口埠到出口埠連線，Re=1500、3000、5500的壓力比較曲線圖。當水在流道中流動時，因板片的形狀阻力、摩擦阻力和水的黏滯力，導致壓力一直下降。流體流經上板片和下板片間的接觸點時，因縫隙太小，造成壓力上升，而流經流道較大的地方，壓力下降。 水流到接近出口埠時，因流道由小突然變大，造成壓力大幅下降。因水流到出口埠形成渦流，使得靠近板片兩旁的壓力增加，中間壓力減小。 圖9為相同雷諾數時對應k-ε（realizable-Enhance） 模組模擬結果和實驗壓降的比值，如比值為1，模擬結果準確預測實驗結果。從圖中可以看出雷諾數小時，實驗結果可被模擬分析準確預測，隨著雷諾數增加，預測結果誤差加大，但最大誤差百分比為18%以下，其正確性是相當高的，可做為參考之用。 圖2：繪製完成的模擬圖 圖9：模擬和實驗的誤差比較 圖8：從入口埠到出口埠連線，不同雷諾數壓力比較曲線圖