Case History: Simulazione fluidodinamica di un scambiatore di calore

Ott 4, 2021 | Simcenter FLOEFD, Simulation Software

Progetto e Obiettivi

Si vuole simulare uno scambiatore acqua/aria in cui l’acqua calda entra nella serpentina dello scambiatore alettato e viene raffreddata dal flusso d’aria esterno generato da un ventilatore, la cui geometria della girante è nota, così come anche quella dei canali e delle alette:

Approccio all’analisi

La geometria caratterizzata da forme dettagliate largamente diffuse (alette) genererebbe una mesh con una numerosità di celle molto elevata, il che appesantirebbe notevolmente il calcolo, generando tempi molto lunghi e non necessariamente dei risultati più affidabili. La soluzione adottata in questi casi è, invece, quella di applicare una sostituzione delle alettature con un mezzo poroso:

Un mezzo poroso non è altro che un solido permeabile (in rosso nell’immagine sopra) che va caratterizzato con una curva per le perdite di carico e delle caratteristiche termiche per essere aderente anche dal punto di vista dello scambio di calore. Dopo aver generato il nostro mezzo poroso, dobbiamo quindi costruire le succitate curve caratteristiche con uno studio preliminare dedicato, andando ad isolare una porzione ridotta dell’alettatura e flussandola per vari valori di portata e temperatura:

A questo punto il nostro modello ‘snello’ è pronto per una prima analisi stazionaria, svolta per comprendere se le dimensioni dello scambiatore sono sufficienti a garantire il target previsto. Andando semplicemente a imporre condizioni al contorno circa la portata d’acqua calda, la pressione di uscita e la velocità della ventola, si è ottenuto:

È possibile apprezzare come il campo fluido venga accelerato coerentemente alla geometria del CAD della ventola e alla velocità assegnata alla regione rotante, oltre che dagli effetti gravitazionali di galleggiamento dell’aria calda, garantendo così condizioni al contorno dello scambio termico molto più vicine alla realtà di quanto di solito si sia in grado di fare, dove al limite l’ipotesi impostata ‘manualmente’ può essere quella di una distribuzione radiale se non addirittura uniforme delle velocità sull’area di passaggio.

Dopo aver validato la geometria, si può procedere ad un’analisi tempo-dipendente con mesh rotante, dove si entra più nel dettaglio dell’interazione tra le pale e il fluido ed è possibile apprezzare fenomeni di pressione dinamici, onde d’urto e affini:

Conclusioni

Grazie ai nostri servizi ingegneristici è quindi possibile seguire tutte le fasi della progettazione di uno scambiatore e dei suoi componenti accessori che ne permettono il funzionamento.

Articoli correlati…

Come migliorare le prestazioni di un frigorifero attraverso la simulazione CFD-3D

Webinar Replay

Grazie alle tecnologie di simulazione ingegneristica CFD-3D di Simcenter FLOEFD™ software, oggi puoi creare una riproduzione virtuale del tuo prodotto (Digital Twin) e usarlo per prevedere con anticipo il suo funzionamento…

Servizi 

Il nostro know-how al tuo servizio

Forniamo avanzati servizi d'ingegneria per risolvere i tuoi problemi progettuali o supportarti nel design di nuove linee di prodotto. Affidati a BSim per calcoli, simulazioni ingegneristiche, analisi sperimentali e testing.