管壳式换热器分段模拟数值方法的适应性研究.pdf

1 9 8 化工机械 2 0 1 4 年 管壳式换热器分段模拟数值方法的适应性研究 郭崇志4陈孝文 ( 华南理工大学) 摘要利用分段模拟和整体模拟两种方法对换热器操作工况下的流动与传热性能实施了数值计算， 将C F D 模拟温度场插值映射到A N S Y S 模型中，得到结构温度和应力场并进行实验验证。在相同离散化 精度下，对同尺寸不同段数模型模拟的研究表明，在分段模拟和整体模拟均可实施的情况下，两种模拟 结果一致并与实验数据相符；但当改变模型长度和网格离散精度时，随着模型尺度增大，整体模拟往往 失效，甚至无法离散，然而分段模拟却还能继续实施并保持足够精度。 关键词换热器温度场分段模拟整体模拟数值模拟 中图分类号X Q 0 5 1 5文献标识码A文章编号0 2 5 4 _ 6 0 9 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 _ 0 1 9 8 旬6 研究固定管板换热器的温差应力对提高设备 可靠性、延长设备使用寿命意义重大。1 。但由 于设备结构和流道的复杂性，要获取具有足够精 度的数值分析结果，必须采用数值模拟方法H j l 。 文献 6 ，7 提出了分段模拟、整体综合的核心思 想和原理，并运用此方法实现了三维实体换热器 模拟研究。文献 8 用该方法研究了预应力换热 器最佳预变形，并进行了实验验证。为探讨传统 整体建模分析法与分段模拟法的适应性，分别利 用分段模拟和整体模拟技术进行了相同流动与传 热条件的分析对比。研究发现，分段模拟技术几 乎不受换热器尺度及离散化精度的限制，而整体 模型往往有较大的限制，尺度稍有增大便会导致 计算失效。由此证明分段模拟技术对于实际工程 规模计算具有良好的适应性。 1 计算模型 所研究换热器的主体结构由彼此之间相互约 束的元件构成。为重点比较壳程流动与传热，选 择简化管程流体行为，即假定管程为潜热释放过 程。为提高计算精度，减少网格数量，适合整体建 模和分段建模，采用整体模型分割离散实现网格 分块。结构参数如下： 管心距P 1 9 m m 管板厚度艿1 2 m m 导流筒外径厚度X 长度咖9 2 m mX1 m m 1 2 0 r a m 折流栅尺寸咖1 0 0 m m 5 5 m m 6 m m 壳体4 1 1 5 r a m 6 5 r a mX1 4 7 6 m m 换热管1 9 + 1 2 m m 3 m m 1 5 0 0 m m 折流杆直径D ，3 m m 折流板间距B5 0 m m 物性参数如下： 密度78 4 0 k g m 3 热膨胀系数1 1 6X1 0 “1 K 泊松比0 3 导热系数4 7 5 W ( m ) 弹性模量2 1 0 G P a 比热5 0 2 4 8 J ( k g K ) 整体模型结构如图1 所示，图2 、3 分别给出 整体C F D 模型和A N S Y S 模型，图4 、5 给出了相 应的分段模型。 郭崇志，男，1 9 5 6 年1 1 月生，副教授。广东省广州市，5 1 0 6 4 0 。 万方数据 第4 1 卷第2 期 化 工 机械 1 9 9 庀稚流体逊 骱洋刍；| tI 杪“ L 一| | 进f折流栅折流栅折流栅折流栅折流栅折流栅 出I 导流简投! 流”柏 钳衔呼流筒段1 段2 段3 段4 段5 段6 段 图1换热器整体模型示意图 图2C F D 整体实体模型 图3A N S Y S 整体几何模型 图4 换热器分段进口模型 图5 换热器分段折流栅段模型 2C F D 模拟结果 图6 给出了整体模型和相应分段模型计算结 果云图对比，可以看出，相同工艺参数下，整体模 型和分段模型换热器的温度分布几乎看不出差 异。笔者通过改变管程流体温度来获得不同的壳 程流体出口温度，从而考察管程工艺条件改变情 况下，两种模拟方法所产生的壳程出口温度差异 ( 表1 ) 。从表1 可以看出，出口温度偏差最大仅 为0 6 5 55 。说明在相同工艺条件下，分段模型 和整体模型计算精算没有差别。 篱氍濉发5 8 3 K 壳讯入【I 速度0 3 m l s o t 干1 1 1 人II 拈 度3 0 0 K a 整体模拟 单位：K 翼；霎 鞋_ _ I t 篙禚磊蒿 b 分段模拟 图6两种模拟方法下的温度分布云图 表1两种模拟方法壳程出口温度对比 为了解分段数目对模拟结果的影响，将相同 的换热器分成不同段数，将不同管程温度下的各 分段结果与整体模拟结果对比，相对误差见表2 。 _ l f 一 K i：!兰兰111兰，一 _要篓墓薹善；j啦羹鑫誓 万方数据 化工机械2 0 1 4 年 表2 各管程温度情况下分段与整体方法的相对误差 由表2 可见，随分段数的增加，整体模拟与分 段模拟相比较，壳程流体出口温度的相对误差趋 于下降。最大偏差仅为0 6 5 55 ，这说明分段数 目对两种模拟方法获得的模拟结果影响不大。 3 结构温度场 利用面插值法将F L U E N T 温度结果不失真映 a 分段模拟 射到A N S Y S 模型中，得到换热器温度分布，如图 7 所示，两种模拟方式获得的固体壁面温度分布 几乎一致p 1 0 】。为了定量比较这两种方法，按图 8 所示方式编号，并将沿管长方向的温度数据绘 制成图，发现两种方法预期的结果偏差都处于合 理区间。 b 整体模拟 图7A N S Y S 中不同模拟方式下的温度分布 图8编号方式 4 模拟与实验对比 根据文献 8 的实验条件，将相同工艺条件 下数值模拟结果与实验数据进行了对比分析。管 板汽侧表面实验测点和路径定义如图9 所示。模 拟和实验数据的对比如图1 0 所示。从图1 0 可以 看出，分段模拟和整体模拟结果在路径曲线上重 4 一，6 一 侮测。一 蹙 筘影 1 一y 图9 管板测点和路径 万方数据 第4 l 卷第2 期 2 0 1 图1 0 路径菇、，数据比较 5 两种模拟的差异 研究两种模拟方法差异的主要目的是考察各 自对于求解实际工程模型的适应性。为便于说 明，现保持换热器其他结构形式和尺寸不变，改变 换热器长度和折流圈数目，利用相同的网格精度 离散，并实施不同模拟方法的计算。表3 给出了 网格尺寸及类型。离散化网格数和平均网格精度 见表4 、5 。 表3 换热器模型分块网格尺寸及类型 表5 各尺寸模型的平均网格精度 注：网格精度是网格扭曲率在o 6 以下网格数占总罔格效百 分比。 由表4 可以看出，分段数目随壳程长度的增 加而增加，要达到与整体模型一致的计算效果，只 需要创建单个段分网大致在2 4 万一2 5 万单元的 模型就足够了。但是如果要提高计算精度，则整 体模型已经达到极限，而分段模型的单个分段还 可以继续提高离散化单元数目直到3 1 3 万单元甚 至更高，此时相当于把整体模型的几何尺度增加 了十多倍，或者是把确定尺度的换热器计算精度 提高十多倍。由此可见，如果只是保持原有的分 网精度，分段技术可以处理更大的几何模型；也可 以在保持模型尺度不改变的条件下，将离散化精 度提高十多倍。换言之，相同的精度要求下，整体 万方数据 2 0 2化工机械 2 0 1 4 焦 模型的计算单元如果是1 0 0 万总数目，则分段计 算的换热器单元总数可以达到整体模型的十多 倍，网格精度大体一致。 表6 的数据仅仅展示出离散化的情况，并不 说明模型是否可计算。一般而言，单元总数目增 加，计算速度逐渐降低，当模型尺度增加到一定程 度( 即网格增加到一定数量) 时，计算机显示内存 不足，无法完成计算。根据笔者所用电脑的实际 情况，当分段的网格数目超过3 1 3 万( 即换热器 长度为26 4 7 m m ) 时，整体建模方法可以完成离散 化，但是模拟计算已无法实施。这样看来，如果不 放弃整体建模方法来实施模拟技术，则要完成大 模型的模拟只能依靠提高电脑配置或者粗化网格 ( 降低网格精度和计算成本) 。但是通过改变模 拟技术，采用分段建模，分段划网，分段模拟，整体 综合的模拟方法，可以利用分块模拟的边界数据 传递技术，一直计算下去。表6 给出了这两种方 法在实际模拟中的适应性对比。 袁6 各尺寸模型两种模拟方法的壳程 流体出口温度对比 由表6 可见，当换热器长度小于26 4 7 m m 时，整体建模跟分段建模方法结果一致，计算精度 足够。但值得注意的是，当换热器长度继续增加 时，对于整体法，即使已离散的模型，也无法通过 计算，而在这种情况下，分段技术却可以继续实 施。从计算实践看，分段模型可以继续进行，没有 太大限制。但是整体模型早已无法实施计算。上 述情况说明分段建模模拟技术无论是在计算规模 还是计算精度方面都比传统整体模拟法更加优 越。 如果在此基础上运用并行计算技术，那么分 段模拟技术将具有更大的适用范围。随着并行计 算平台的节点数增加，将有更多计算资源加入计 算，所需时间减少，计算能力增强“。采用二、 三、四节点并行时，完成相同计算任务，分别只需 要原计算时间的5 2 7 、3 7 9 、2 9 6 ，所以并 行计算节约的时间相当可观。同时随着并行计算 机器数量的增加，不仅计算效率提高，还扩展了可 计算模型尺度。比如利用三节点并行，可将网格 处理能力提高5 0 以上，而并行效率并没有大的 下滑。利用文中配置进行三节点并行，以1 3 个分 段的模型为例，分段模型的最大叠加网格总数达 到81 3 6 万，而对应的整体模型网格总数只能达 到6 1 6 万，分段模拟的总网格数远大于整体模型。 因此，分段模拟为解决大模型的模拟计算提供了 一种可行的技术基础。 6结论 6 1 在计算规模较小的情况下，分段模拟可以 更快获得具有足够精度的计算结果，该结果与实 验结果较吻合，即此时分段模拟可以达到与整体 模拟相同的计算要求。 6 2 在计算规模比较大的情况下，分段模拟技 术展示出很强的适应性，计算规模只受限于模型 分段的大小，整体上基本不受限制，而此时整体计 算模拟技术即使可以离散，也难以通过计算。 6 3 在给定的几何尺度限制下，分段模拟技术 可以将计算精度提高至少1 0 倍；而在给定精度要 求下，分段模拟的模型尺度可以扩展到1 0 倍以 上。 6 4 利用并行计算技术，可以增强分段模拟技 术的能力。 参考文献 1 贺运初换热器的强化传热与优化设计 J 化工装 备技术，1 9 9 7 ，1 8 ( 2 ) ：2 5 2 8 2 曹纬国外新型换热器介绍 J 化学工程，2 0 0 0 ，2 8 ( 6 ) ：5 0 5 2 ，5 6 3 王维慧基于C O M O S W O R K S 软件的固定管板式换 热器应力分析方法 J 压力容器，2 0 0 6 ，2 3 ( 9 ) ：2 1 2 4 4 郭崇志，林长青固定管板式换热器的温度场数值 分析 J 化工机械，2 0 0 8 ，3 5 ( 6 ) ：3 3 8 3 4 4 5 郭崇志，周洁固定管板式换热器的温差热应力数 值分析 J 化工机械，2 0 0 9 ，3 6 ( 1 ) ：4 1 4 6 6 郭崇志，粱泉水折流杆换热器数值模拟新方法 J 化工进展，2 0 0 7 ，2 6 ( 8 ) ：1 1 9 8 1 2 0 6 万方数据 第4 l 卷第2 期化工机械 2 0 3 陈文听折流杆换热器的数值模拟与实验研究 D 广州：华南理工大学，2 0 0 6 粱泉水预应力换热器的分析与实验研究 D 广 州：华南理工大学，2 0 0 7 郭崇志，林长青基于A N S Y S 和F L U E N T 的管壳式 换热器整体分析方法 O L h t t p p e r a e w o r k s n e t 郭崇志，肖乐换热器流固传热边界数值模拟温度 场的顺序耦合方法 J 化工进展，2 0 1 0 ，2 9 ( 9 ) ： 1 6 1 5 1 6 1 9 林桥预应力换热器传热与应力特性的数值模拟 研究 D 广州：华南理工大学，2 0 1 2 郭崇志，肖乐管壳式换热器数值模拟的并行计算 技术研究 J 化工机械，2 0 1 1 ，3 8 ( 5 ) ：6 0 4 6 0 6 ( 收稿日期：2 0 1 3 1 0 - 0 5 ) A d a p t a b i l i t yR e s e a r c ho fS e g m e n t a lS i m u l a t i o nf o rT u b e a n dS h e l lH e a tE x c h a n g e r s G U oC h o n g z h i C H E NX i a o w e n ( S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u5 1 0 6 4 0 ，C h i n a ) A b s t r a c tB o t hs e g m e n t a la n do v e r a l ls i m u l a t i o nm e t h o d sw e r eu s e dt oa n a l y z eh e a te x c h a n g e r Sf l o ws i t u a t i o na n dh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eu n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt om a pt e m p e r a t u r ef i e l d si n t e r p o l a t i o ns i m u l a t e db yC F Ds o f t w a r et ot h eA N S Y Sm o d e la n dt ov e r i f yt h es t r u c t u r e st e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d o b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t x U n d e rt h es a m ed i s c r e t i z a t i o nl e v e l ，s i m u l a t i n gt h em o d e lo fd i f f e r e n ts e g m e n t s w h i c he n j o y i n gt h es a m es i z es h o w st h a t ，i nac e r t a i ns c o p e ，b o t hs e g m e n t a la n do v e r a l ls i m u l a t i o nh a st h e s a m er e s u l tw h i c hc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a ；a n dt h ec h a n g e dm o d e l Sl e n g t ho rd i s c r e t e 咖ds i z e c a nr e s u l ti ni n c a p a b i l i t yo ft h eo v e r a l ls i m u l a t i o ne x c e p tf o rt h es e g m e n t a ls i m u l a t i o n K e yw o r d s h e a te x c h a n g e r ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s e g m e n t a ls i m u l a t i o n ，o v e r a l ls i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ( C o n t i n u e df r o mP a g e16 8 ) G A OS h e n g ，W A N GS h a o f a n ，F UY u ，J I AX i n ，L IW e i ( C o l l e g eo f M e c h a n i c a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s tP e t r o l e u mU n i v e r s i t y ，D a q i n g1 6 3 3 1 8 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h eA Et e c h n o l o g yw a sa p p l i e dt om o n i t o 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