（动力机械及工程专业论文）非能动余热排出冷凝器数值模拟.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 管壳式换热器壳侧的流动及换热是一个非常复杂的三维过程，由于受到 实验条件和测试技术等多方面因素的限制，这方面的工作也做的较少。随着 计算机技术的发展，人们逐渐认识到数值分析是一个节省投资、减少浪费、 方便可行的研究途径。 本文先对船用非能动余热排出系统中的管壳式换热器的壳侧分别进行了 冷态流场和自然循环流场的数值模拟。结果表明冷态计算的流场结构和自然 循环计算的流场结构大体上一致，局部有较大的差异，自然循环流场计算更 接近真实情况；换热器壳侧的温度场分布特点鲜明，上半部分温度高、换热 剧烈，下半部分温度低、换热量少；从壳侧的流场结构和温度分布分析出了 影响流动及换热的主要因素：壳侧几何空间结构，出口接管附近的流动情 况，进、出口接管的布置情况等。 针对影响管壳式换热器壳侧流动及换热的几个主要因素，设计了一系列 的改型方案，并对改型方案进行了数值模拟。结果表明采用在换热管顶部加 套绝热衬管的方法后，使得壳体顶部的温度梯度降低，高温区域面积减小； 通过改变换热管在壳内的布置方式能够对壳内的温度场分布产生定的影 晌，但这种方法对整个壳内温度场的影响较小：采用两个进口接管或者是两 个出口接管都使得进入壳内冷却水的总流量有较大幅度增加，能够有效的降 低壳内流体的温度，顶部高温区基本消失；采用椭圆形出口接管方法，能够 很好的解决出口接管的回流问题，而且对壳内流场结构有部分的改善作用， 但是却使得壳体顶部低速流体所占面积增加，温度升高，温度梯度也变大。 关键词管壳式换热器：冷态流场；自然循环；数值模拟 竺玺鋈三些查兰三兰堡圭兰堡兰三 a b s t r a c t f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri ns h e l ls i d eo ft h es h e l l - a n d t u b eh e a t e x c h a n g e ri sv e r yc o m p l i c a t e d b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n o ft h ee x p e r i m e n t s y s t e m ，t h e r ei sf e wp a p e ri nt h i sf i l e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r p e o p l ef i n dt h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sac o n v e n i e n tw a y f o rr e s e a r c h i nt h e p r e s e n tp a p e r ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fc o o lf i e l da n dn a t u r a l c o n v e c t i o nf i e l dh a db e e nd o n ei nt h es h e l l t u b eh e a te x c h a n g e ri nr e s i d u a lh e a t r e m o v a ls y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec 0 0 1f i e l da n dn a t u r a lc o n v e c t i o nf i e l d a r et h es a m ei naw h o l e b u td i f f e r e n ti ns o m el o o a la s p e c t t e m p e r a t u r eo ft h e s h e l ls i d eo ft h eh e a te x c h a n g e rh a san o t i c e a b l ec h a r a c t e r i s t i c t h et e m p e r a t u r e o ft h eu p p e r p a r to fe x c h a n g e ri sh i g h e r , a n do f t h eu n d e r p a r ti sl o w e r t h em a i n i n f l u e n c i n gf a c t o r sf o rt h ef l o wa n dh e a te x c h a n g e ra r eg e o m e t r ys t r u c t u r e ，t h e s h a p eo fo u t p i p ea n d t h ec o l l o c a t i o no ft h ei n p i p ea n d o u t - p i p e as e r i e so fr e m o d e lp r o j e e l sh a v eb e e n d e s i g n e df o l l o w i n gt h es e v e r a lm a i n p o i n t sf o rt h ef l o wa n dh e a te x c h a n g ei nt h es h e l ls i d eo ft h ee x c h a n g e r t h e r e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h er e m o d e lp r o j e c t ss h o wt h ef o l l o w i n g e f f e c t so nt h ee x c h a n g e r a f t e ra d l a b a t i cs l e e v e sh a v eb e e ni n s e r ti n t ot h et u b e s b o t ht e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r eg r a d i e n tf a l lo 仃w h e ng e o m e t r ys t r u c t u r ei n s h e l lh a v eb e e nc h a n g e db yr e p l a c i n gt u b e s ，t h ei m p a c tf o rt h et e m p e r a t u r ef i e l d o ft h es h e l ls i d ei sv e r yl i t t l e i ft h e r ea r et w o i n - p i p e so rt w oo u t - p i p e s b e s i d et h e s h e l l ，i tc a nn o to n l yi n c r e a s et h ef l u xo f t h ec o o l i n gw a t e r , b u ta l s od e c r e a s et h e t e m p e r a t u r eo f t h et o pf i e l da n dm a k et h er e g i o no fe x o r b i t a n th i g ht e m p e r a t u r e d i s a p p e a r e d t l l ep r o j e c tt h a tc h a n g ec o l u m no u t - p i p e t oe l l i p s eo u t - p i p ei n c r e a s e t h et e m p e r a t u r eo ft h et o pa r e a ，t h o u g hi tc a ns o l v et h eb a c kf l o wm a t t e r k e y w o r d s s h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r ；c o o l i n gf i e l d ；n a t u r a l c o n v e c t i o n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n - l i 篁查堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁圣 第1 章绪论 管壳式换热器广泛应用于能源、动力、核能、冶金、石油、制冷、化工和 加工处理等工程技术领域【l 】，对换热器内部流场的详细了解有助于开发可靠和 高效的设备。由于缺乏必要的流动和传热方面的设计依据，此类换热器中有相 当一部分需要进口或保守的仿制。因此研究换热器壳侧的流动和换热规律具有 重大的工程意义。 由于实验测试费用昂贵而且耗时，并且实际换热器中流场的可视化和湍流 量的测量也相当困难。因此，人们越来越认识到基于一定实验数据的数值分析 是获得复杂物理问题详细解的一个节省投资、减少浪费、方便可行的途径j 。 随着各种模型的逐步完善、数值计算方法的发展和实验研究积累了大量阻 力规律、两相压降、截面古汽率的数据和经验、半经验关联式，国际上对管束 中单相、两相数值研究正在不断发展。 1 1 换热器简介 1 1 1 换热器分类 用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置统称为 换热器【3 1 。换热器可以按不同的方式分类。按换热器的操作过程可将其分为间 壁式、混合式和蓄热式( 或称回热式) 三大类。间壁式换热器中，冷、热流体 由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。在混合式换热器中，冷、热两种流体 通过直接接触、互相混合来实现换热，火力发电厂中的冷却塔、化工厂中的洗 涤塔等属于这一类。冷、热两种流体一次交替地流过同一换热面而实现热量交 换的设备称为蓄热式换热器。在这种换热器中，固体壁面除了换热以外还起到 蓄热的作用：高温流体流过时，固体壁面吸收并积蓄热量，然后释放给接着流 过的低温流体。显然，这种换热器的热量传递过程是非稳态的。在空气分离装 置、炼铁高炉及炼钢平炉中常用这类换热器来预冷或预热空气。在三类换热器 中以间壁式换热器应用最广泛。 间壁式换热器的主要形式有套管式换热器、交叉流换热器、板式换热器以 及螺旋板式换热器和壳管式换热器。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 套管式换热器是间壁式换热器的最简单的一种形式，依两种流体的流动方 向不同而又有顺流布置及逆流布黄之别，如图1 1 所示，图1 一l ( a ) 为顺流布 置，图1 1 ( b ) 为逆流布置。这类间壁式换热器适用于传热量不大或流体流量 不大的情形。 l j - - 1 ：6 声 a ) 顺流b ) 逆流 图卜1 套管式换热器示意图 交叉流换热器根据表面结构的不同又可有管束式、管翅式及板翅式等区 别。锅炉装置中的蒸汽过热器、省煤器、空气预热器是管束式交叉换热器的例 子，示意图如图1 2 ( a ) 所示。汽车发动机的散热器属于管翅式，其中换热管 外布置了多层翅片以强化空气侧的换热。板翅式换热器广泛应用于低温工程 中。在管束式换热器中，管内流体在各自管子内流动，管与管间不互相掺混， 而管外流体可以自由掺混。如图1 2 ( b ) 所示的板翅式换热器中两种流体都不 能自由掺混。交叉流换热器中流体各部分是否可以自由掺混，对于计算换热器 的平均温差有一定的影响。在工程技术领域中，常以单位体积内所包含的换热 面积作为衡量换热器紧凑程度的指标，并把这一指标大于7 0 0 m 2 m 3 的换热器 成为紧凑式换热器。板翅式换热器多属于紧凑式。 板式换热器是由组几何结构相同的平行薄板叠加所组成，两相邻平板之 间用特殊设计的密封垫片隔开，形成一个通道，冷、热流体间隔地在每个通道 内流动，示意图如图1 3 所示。为强化传热并增加板片的刚度，常在平板上压 制各种波纹。板式换热器中冷、热流体的流动有多种布置方式。板式换热器拆 卸清洗方便，故适台于含有易结垢物的流体的换热。 螺旋板式换热器的换热表面是由两块金属板卷之而成，冷、热流体在螺旋 状的通道中流动。这种换热器换热效果好，缺点是换热器的密封比较困难。 哈尔滨t 业大学丁学硕+ 学位论文 管外流体混合 流体不混合 a ) 管束式交叉流换热器 管内流体不混合 b ) 板翅式交叉流换热器 图1 2 交叉流换热器 流体不混合 图卜3 板式换热器示意图 3 哈尔滨t 业大学t 学硕十学位论文 管壳式换热器是间壁式换热器的一种主要形式。它广泛应用于能源、动 力、核能、石油、冶金、制冷、化工和加工处理等工程技术领域，如进料换热 器、蒸发器、冷凝器、再沸器等。管壳式换热器占整个换热器市场3 0 左右。 图卜4 管壳式换热器示意图 1 - 封头2 - 壳体接管3 - 壳体4 管束5 箍紧圈6 定位板7 管板 图1 4 是管壳式换热器示意图。管壳 式换热器( 或称壳管式) 的传热面由管 束构成，管子的两端固定在管板上，管 束与管板再封装在外壳内，外壳两端有 封头。一种流体从封头进口流进管子 罩，再经封头流出。这条路径称之为管 程。另一种流体从外壳上的连接管进入 换热器，在壳体与管子之间流动，这条 路径称为壳程。管程流体和壳程流体互 不掺混，只是通过管壁交换热量。在同 样的流速下，流体横向掠过管子的换热 效果要比顺着管面纵向流过时好，因此 图卜52 - 4 型换热器示意图 外壳内一般装有折流挡板，来改善壳程的换热。为了提高管程流体的流速，在 换热器一端的封头里加上一块隔板，构成两管程的结构，称为1 2 型换热器 ( 此处1 表示壳程数，2 表示管程数) 。把几个壳程串联起来也能得到多壳程结 构。图1 - 5 所示是由两个1 - 2 型换热器串联组成的一个2 - 4 型换热器。 哈尔滨丁业大学t 学硕士学位论文 1 1 2 换热器的热计算 有两种情况需要进行换热器的热计算。一种情况是设计一个新的换热器， 以确定换热器所需要的换热面积。这类换热器计算称为设计计算。另一种情况 是对已有的或已选定了换热面积的换热器，在非设计工况条件下核算它能否胜 任规定的换热任务。例如在锅炉设计中，一个过热器已按额定负荷选定了换热 面积，需要核算部分负荷时的换热性能；一台现成的换热器移作它用时，要核 算能否完成新的换热任务。这些计算都属于这种类型，称为校核计算。 当利用传热方程来计算整个传热面上的热流量时，必须使用整个传热面积 上的平均温差，记为r ，。根据平均温差的计算方法的不同，有对数平均温差 和算术平均温差之分，具体计算方法请参阅文献【3 。换热器热计算的基本公式 为传热方程及热平衡方程式： 中=ka a t 。 中= q m l c l ( f l f 1 ) = q 2 c2 ( t 2 一t 2 ) ( 1 1 ) ( 1 2 ) 其中，出，不是独立变量，因为只要确定了冷、热流体的流动布置及其进、出 口温度，就可以算出f ，来。因此，上述三个方程中共有八个变量一 、a 、 q m l c l 、q m 2 c ：及、t ：、t ；中的三个和西，必须给定其中五个变量才能进行 计算。 在设计计算时，给定的是q ，l c l 、q = 2 c 2 和四个进出口温度中的三个温度， 最终求得k 及4 。在校核计算时，给定的是4 、q m l c 。、q m 2 c ：和两个进口温度f ： 及，：，待求解的是出口温度。、f ；。 换热器的计算方法有两类：平均温差法及传热单元数法。用平均温差法进 行校核计算时，所假定的出口温度的大小对于热平衡热量于传热量是否相符有 很明显的影响。而传热单元数法中，出口温度对计算结果的影响要小得多。这 里对两种计算方法不做具体说明，详细过程请参阅文献 3 】。 哈尔滨工业大学工学顾十学位论文 1 1 3 管壳式换热器壳侧流场实验测定研究进展 壳侧流动是一个复杂的三维流动过程，由于受到实验条件和测试技术等多 方面因素的限制，实验测定壳侧流动分布鲜有报道，所以做流动的分析通常理 想化为一维流动，多流路模型f 4 】。1 9 5 7 年，g u p t a 在小玻璃换热器中，首次利 用跟踪粒子较粗略地显示了壳侧流动情况。1 9 8 8 年，h t f s ( 美国传热研究 所) 的m u r r a y l 5 在他的博士论文研究中，提出用染料技术研究管壳式换热器中 流体流过管束时的流动情况。1 9 9 3 年，h a s l e r l 6 报道了用神经密度离子技术和 传感压力管测景弓形挡板换热器管束问的叉流速度分布和压降，为计算机模拟 建立更好的模型打下了一定的基础。对壳侧冷凝的管壳式换热器，除了复杂的 壳侧结构外，还要考虑复杂的两相流动测量问题，所以流场测量难度相当大， 至今所报导的文献中仅是对某些部位的温度和压力的测量，而对管束间的空隙 率和相速的测量还没有好的办法。所以，目前对冷凝器的流场研究，还只是停 留在数值模拟阶段，所提出的大量数值模型，还无法用实验验证。 1 1 4 换热器数值计算的国内外研究现状 管壳式换热器中流体流动与换热是相当复杂的。尤其是带有挡板的管壳式 换热器，壳侧流体在壳间的流动时而垂直于管壁，时而平行于管束，当穿过挡 板的开孔处时，还有一部分流体从挡板与管子间的间隙中泄漏。而且管内流体 于管外流体间的热交换是耦合在一起的。对这样复杂的流动和换热过程的换热 器的设计计算都假设流动是一维稳态的，冷热流体布置的影响通过对数平均温 差中的修正系数来考虑，总传热系数k 沿着轴向方向均匀不变等。然而随着研 究的不断深入，这些仅能获得换热器总体性能的方法越来越不能满足需要。因 此，有不少学者从事换热器壳程模拟工作，进行了几方面的研究：1 ，管壳式 换热器的性能优化与壳测流场的关系。2 ，换热器管束振动的振幅和频率与壳 程流体的流动布置及流过管束的速度大小的关系。常规换热器计算所作的假设 未能揭示出不均匀流动所带来的影响，不能对管子热应力的计算提供可靠的依 据。另外，许多失效是在开始或关闭流体时产生的，因为这时热应力最大。因 此要分析热应力，仅进行稳态分析是不够的，还要进行瞬态模拟。3 ，换热器 中污垢的形成和不均匀温度场的关系。 对管壳式换热器壳侧单相流动、换熟过程应用计算流体力学进行模拟最早 是由p a t a n k e r 和s p a l d i n g l 7 在1 9 7 4 年所做。他们把壳侧作为一种多孔介质，引 堕玺量三些查兰三兰堡圭：竺鎏兰 入了分布阻力的概念，完成了对壳管式换热器壳侧流场的数值模拟。但由于受 到计算机条件和计算流体力学发展程度的限制，研究进展缓慢。8 0 年代由于核 电厂换热设备向大型化、高参数化发展，促进了这方面的研究。开发了大型通 用软件如p h o e n l c s 、f l o w 3 d ，使复杂的流场分析得以实现。管壳式换热器 壳侧单相流场是一个复杂的三维流动过程，不借助于一定的假设或模型，对工 业规模的换热器的每一个细节全部模拟出来，从而确定流动阻力与换热系数， 还未见有报道。主要原因之一是受到计算机容量的限制。因此，大多是文章都 是解连续的n _ 一s 方程，并对壳侧中的传热管和挡板使用p a t a n k e r 和s p a l d i n g 提出的分布阻力的概念，以考虑壳侧的固体表面对流体流动的影响。壳侧的管 子、隔板、挡板等看成是多孔介质，用体积多孔度表示流体占有的空间对整个 空间的百分比。正如我们所知，换热器的壳侧流动与换热过程是非常复杂的， 要对这样复杂的过程采用完全模拟的方法，把管内流体、管外流体的流速、温 度分布的每一个细节( 例如在管子后面的旋涡，穿过隔板的泄漏等) 全部分辨 出来，从而确定流动阻力与换热系数，那是相当困难的，也是目前工程计算所 能提供的计算机的容量所不允许的。例如，初步估计表明，对有5 0 0 根管子、 1 0 块折流板的换热器要进行这种场模拟至少要1 5 1 0 8 个控制容积。壳管式换 热器数值计算的多孔介质模型正是为了避免对计算机资源这种巨大的要求而提 出来的。 1 9 8 2 年s h a t s l 认为管束多孔度是各向异性的，仪利用分布阻力和体积多孔 度不能获得真实的流场速度，提出表面渗透度的概念，必须综合应用体积多孔 度、表面渗透度和分布阻力修改n s 方程，以恰当地说明壳侧中管束、支撑 板、挡板等的影响。s h t g j 等开发了两维热力计算程序，对蒸汽发生器和核反 应堆堆芯中的湍流流动做了分析，计算中采用的是一方程湍流模型。张超【l 训对 于电站冷凝器汽侧的流动采用多孔介质模型迸行了准三位的湍流流场计算，其 中湍流粘性系数简单地取位分予粘性的1 0 0 倍。对蒸汽发生器进行了计算，并 通过实验得到了进一步的验证。为了进一步获得挡板附近的流动状态，张超模 拟了圆环圆盘换热器的壳测流场，发现圆环和圆盘后面出现了大的再回流区 和尾流区。黄兴华【1 1 1 用各向同性多孔介质模型和分布阻力计算了管壳式换热器 壳侧三位流场，用漂移流模型计算了管壳式换热器壳侧两相流流场。王定标u 2 】 等采用g a l e r k i n 有限元法，利用算子分裂思想，把n 方程分裂为对流问题 和s t o k e 问题，计算了层流状态下的流场。这种方法采用的人很少。1 9 9 8 年， p r i t h t i v i r a j 和a n d r e w s t l 3 1 4 l 对带折流板的管壳式换热器采用分布阻力及多孔度 的概念，利用修正的k - e 模型计算了壳侧流场换熟。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 随着各种模型的逐步完善以及数值计算方法的发展和实验数据的积累，许 多学者对换热器壳侧单相流动进行了大量的数值研究 1 5 - 2 6 l ，但这些模型过于简 单，仅仅局限于层流，没有考虑管束产生的湍流及其耗散。1 9 9 8 年， p r i t h t i v i r a j 等人采用同位网格、多孔介质和分布阻力模型对管壳式换热器壳侧 的湍流流场进行了研究，但该文中对于三维多孔介质模型控制方程的建立未作 任何说明，个别表达方式也有待于完善。 1 2 非能动系统简介 非能动安全技术作为先进压水堆核电站的主要特点，受到了世界核电发达 国家的重视【2 。”。它可以较好的解决核反应堆的安全性问题。非能动安全系统采 用密度差驱动自然循环、重力驱动注射等固有特性工作，提高了系统运行的可 靠性；事故后无需操作人员干预，避免了人因故障。非能动安全系统的运行， 减少了因电源故障而引起的系统运行失效；非能动安全系统的应用，使系统处 于失效安全状态，提高了系统安全性，使堆芯熔化概率降低l 至2 个数量级 b 8 1 ，通过减少能动设备，取消或减少对应急电源的要求，减少设备的在役检查 及维护等方法，提高了系统的经济性。美国西屋公司的a p 6 0 0 、欧洲的 e p p l 0 0 0 、日本的s p w r 、俄罗斯的w w e r l 0 0 0 等先进压水堆，都采用了非 能动安全技术。另外，目前在现役核电站也采用了非能动安全技术。a p 6 0 0 已 获得美国核管会最终设计认可，其非能动安全系统主要包括应急堆芯冷却系 统、非能动余热排出系统和非能动安全壳冷却系统、控制室非能动可居留条件 保障系统等。西屋公司完成了a p 6 0 0 的初步设计和f o a k e 工程设计及大量的 实验研究，并在此基础上编制了分析计算程序。西屋公司建立了一些用于 a p 6 0 0 非能动安全系统的大型整体效应实验装置，开发了系统安全分析程序， 并用实验数据进行了验证。另外，还建造了许多中小型实验装置，在非能动安 全壳冷却系统方面，完成了1 1 0 0 模型的风洞实验、全尺寸安全壳穹顶l 8 切 块的水分配实验、6 0 9 6 m 直径和7 3 1 5 m 高的安全壳整体模型内自然对流和蒸 汽冷凝实验、1 ，8 规模的钢安全壳结构传热实验。同时，欧洲开发的 e p p l 0 0 0 ，日本开发的s p w r ，都是在a p 6 0 0 基础上发展的先进压水堆，采用 与a p 6 0 0 一样的非能动安全技术，并建造了一些实验装置进行相关实验。俄 罗斯的w w e r l 0 0 0 是由俄罗斯自主开发的先进压水堆，其非能动余热排出系 统采用与我国a c 6 0 0 一样的空气冷却技术，并已完成了相关的实验。我国在 “八五”计划期间，由中国核动力研究设计院( n p i c ：n u c l e a rp o w e r n s t i m t e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 o fc h i n a ) 先后开展了a c 6 0 0 的可行性研究、概念设计、总体设计以及总体优 化设计。在“九五”计划期间，针对非能动安全壳冷却系统，进一步开展了初 步设计工作，并达到了为开展综合实验研究提供条件的深度 2 9 - 3 2 1 。 蒸 汽 发 生 器 图1 - 6a c 6 0 0 非能动堆芯余热捧出系统流程简图 图1 - 6 是a c 6 0 0 非能动堆芯余热排出系统流程简图。它有一台应急给水箱 ( e f w t ) ，一台应急空气冷却器( e a c ) 及相应的管道、阀门和控制仪表等组 成一个独立的应急堆芯余热排出系统。图中两条环路分别是两个系统，这两个 系统共同构成a c 6 0 0 的应急堆芯余热排出系统。当发生像全厂断电，二回路 失去主、辅给水，主蒸汽管道破裂等事故时，可能导致蒸汽发生器二次侧给水 中断。此时，应急给水箱隔离阀将由于蒸汽发生器低水位或给水中断信号而打 开，靠应急给水箱提供补给水源。将蒸汽发生器二次侧的水位维持在一定水平 上。蒸汽发生器二次侧水吸收反应堆冷却剂的热量而变成蒸汽，上升流至应急 空气冷却器，蒸汽在这里凝结咸水，同时将热量传递给大气环境，冷凝水靠重 力返回至蒸汽发生器，从而建立了自然循环流动 2 1 1 。 本文所研究的余热排出冷凝器属于船舶动力系统中非能动安全系统的一部 分，简图如图1 - 7 所示。当全船断电时，通过蒸汽发生器二次侧水吸收反应堆 冷却剂的热量变成蒸汽，流至管壳式换热器，蒸汽在这里凝结成水，同时将热 量传递到水中，冷凝水靠重力返回至蒸汽发生器。换热器中的水由于吸收管中 哈尔滨 t 业大学t 学硕十学位论文 蒸汽的热量，温度升高，密度变小，在浮升力的驱动下，实现壳侧流体的自然 循环。 蒸 汽 发 生 器 圈l - 7 本文所研究的非能动余热排出系统简图 1 3 本文研究内容 本文所研究的是管壳式换热器壳侧流场结构以及温度场分布情况。根据目 前国内外对管壳式换热器壳侧流场的研究情况，本文主要从以下几个方面进行 研究： ( 1 ) 对换热器进行了冷态流场计算分析，由此对冷凝器内部流场结构有 个初步认识。 ( 2 ) 结合换热器工作的实际情况，选择合适的模型对换热器进行自然循 环的数值模拟。 ( 3 ) 通过对原设计模型计算结果的分析，有针对性地制定出一系列的改 型方案，将改型方案和原型的计算结果进行详细的对比分析，总结出一些有效 而且切实可行的改型方法。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章数值模拟方法 9 0 年代以来，全三维流场数值模拟得到了较快的发展。同时，经过半个世 纪的迅猛发展，计算流体力学已经相当成熟，各种c f d 通用软件被陆续推 出。从1 9 8 1 年c h a m 公司推出世界上第一个商用c f d 软件- - p h o e n i c s 以 来，数以十计的商用c f d 软件出现在市场上了，如f l u e n t ，s t a r c d ，c f x 等。这些软件致力于工程实际应用，并逐渐被业界广泛认识和接受，为c f d 技术打开了广阔的应用前景。c f d 商用软件的出现让工程技术人员从繁琐的程 序编制过程中解放出来，从而把精力集中到流动的物理本质上【3 3 - 4 2 1 。本文采用 商用软件f l u e n t 进行数值模拟计算。下面将介绍所使用f l u e n t 中与本文有关的 一些计算方法。 本文采用全三维定常计算。计算中使用了标准k - e 湍流模型，对导热问题 采用了第二类边界条件。对由浮升力引起的自然循环采用b o u s s i n e s q 假设。对 管内的凝结过程，通过在管壁上设置给定热流密度的边界条件来代替，壳侧流 动亦不考虑相变。 2 1 求解器介绍及选择 本文在计算中使用的是解耦计算方法。f l u e n t 中提供了解耦计算、显式耦 合计算和隐式耦合计算三种求解模式。解耦计算和耦合计算两种方法的不同点 在于对于连续、动量、动能以及组分运输控制方程的求解顺序的不同。前者是 对各控制方程逐个连续求解，后者则是将各方程同时求解。图2 - 1 是解耦计算 方法的计算流程。 其计算步骤基本如下： ( 1 ) 在现有计算结果的基础上更新流体的属性值，如密度、压力以及温 度等； ( 2 ) 求解动量方程，获得速度场分布； ( 3 ) 前面所计算的速度场在局部范围内不一定能满足连续方程，因此还 需要求解一个压力修正方程，来获得能够很好满足连续方程的压力、速度场； ( 4 ) 求解能量、湍流、组分运输以及辐射等附加的标量方程； ( 5 ) 判断是否收敛。 呛尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 解耦计算方法流程简图 选择解耦计算方法是因为该方法通常用于不可压流体以及微弱可压缩流体 的流动，与本文研究对象的流动特征正好相符。而耦合计算的方法最初就是为 高速可压缩流体流动而应用的，并且它相对于解耦计算的方法而言要消耗更多 的计算资源。 f l u e n t 使用的是有限容积法。定常流动控制方程的任意形式可描述为式 ( 2 1 ) ，其中。为任意物理量，如密度、速度等。 q 尸中6 - d a = q r m v m d a + l ，s d v ( 2 - 1 ) p 一密度；矗速度矢量：x 一法向面积；k 一中的扩散系数 v 中一。的梯度；& 一每个单元体积的源相 进行离散后的形式为： n h h m 乃啄西，五，= k ( v m k - 五，+ & v ，f ( 2 2 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 n 自。一单元体内的面数；m ，一通过f 面的m 值；o f d ，a ，通过f 面的 通量；v 一单元体体积 2 2 差分格式介绍及选择 f l u e n t 默认地将任意物理量。的值存储 在控制单元的中心点( c o ，c 1 ) 上，如图2 2 所示。但是在计算对流项时需要单元面上的 值中，因此就需要用一种插值的方法来求得 此值。对此，f l u e n t 提供了四种迎风差分格 式，包括一阶迎风、二阶迎风、p o w e rl a w 以 及q u i c k 。一阶迎风格式和p o w e rl a w 格式 虽然能够获得较稳定的解，但精确度不够； q u i c k 格式和二阶迎风格式一样能够获得较 精确的解，q u i c k 格式更适合于求解旋转流 动。从诸多文献中对二阶迎风格式的广泛使 用，结合本文中流动的主要特点，本文选择 了二阶迎风格式。 2 3 压力场修正 图2 2 控制体内物理量输运 示意图 u 、v 、p 的代数方程的解耦计算方法的关键，是如何求解压力场，或者在 假定了一个压力场之后如何改进它。f l u e n t 中所使用的压力修正法正是目前被 广泛采用的改进压力场的方法。在对n s 方程的离散形式进行迭代求解的任一 层次上，可以给定一个压力场，它可以是假定的或是上一层次计算所得出的。 一个正确的压力场，应该使计算所得到的速度场满足连续性方程。但根据这样 给定的压力场计算而得的速度场，未必能够满足连续性方程，因此要对给定的 压力场做改进。原则是：与改进后的压力场相对应的速度场，能够满足这一迭 代层次上的连续方程。据此来导出压力的修正值与速度的修正值，并以修正后 的压力与速度进行下一层次的迭代计算。文中选择s i m p l e 算法来求解压力修 正方程。 芝玺鎏三些奎兰三兰堡圭兰堡兰苎 2 4 湍流模型 2 4 1 湍流现象概述 湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体 的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。从 物理结构上说，可以把湍流看成是各种不同尺度的旋涡叠合而成的流动，这些 旋涡的大小及旋转轴的分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所 决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的主要原因；小尺度 的涡旋主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级， 是引起高频脉动的主要原因。大尺度的旋涡破裂后形成小尺度的旋涡。较小尺 度的旋涡破裂后形成更小尺度的旋涡。因而在充分发展的紊流区域内，流体旋 涡的尺寸可能在相当宽的范围内连续变化。大尺度的旋涡不断地从主流获得能 量，通过旋涡间的相互作用，能量逐渐地向小尺寸的旋涡传递。最后由于流体 的粘性作用，小尺度的旋涡不断消失，机械能就转化为( 或称耗散成) 流体的 热能。同时，由于边界作用、扰动及速度梯度的作用，新的旋涡又不断产生， 这就构成了湍流运动。由于流体内不同尺度的旋涡的随机运动造成了湍流的一 个重要特点一物理量的脉动。一般认为，无论湍流运动多么复杂，非稳态的 n s 方程对于湍流的瞬时运动仍然是适用的。 2 4 2 湍流的数值模拟 关于湍流运动与换热的数值计算，是目前计算流体力学与计算传热学中困 难最多因而研究最活跃的领域之一。已经采用的数值计算方法可大致分为以下 三类：直接模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , d n s ) ，大涡模拟( 1 a r g ee d d y s i m u l a t i o n l e s ) ，应用r e y n o l d s 时均方程( r e y n o l d s a v e r a g i n ge q u a t i o n s ) 的 模拟方法。 直接模拟就是用三维非稳态n - s 方程对湍流直接进行数值计算的方法。要 对高度复杂的湍流运动进行直接的数值计算，必须采用很小的时间与空间步 长，才能分辨出湍流中详细的空间结构及变化剧烈的时间特性。据估算，要对 紊流中的一个旋涡进行数值计算，至少要设置1 0 个节点，这样对于在一个小 尺度范围内进行的湍流运动，在1 c m 3 的流场中可能要布置1 0 5 个节点。可见湍 流的直接模拟对内存空间以及计算速度要求非常高，目前还无法用于工程数值 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 计算。只有少数能够使用超级计算机的研究者才能够从事这一类的研究和计算 删。 按照湍流的涡旋学说，湍流的脉动与混合主要是由大尺度的涡造成的。大 尺度的涡主要从主流中获得能量，它们是高度的非各向同性，而且随流动的情 形而定。大尺度的涡通过相互作用把能量传递个小尺度的涡。小尺度的涡的主 要作用是耗散能量，它们几乎是各向同性的，而且不同流动中的小尺度涡有许 多共性。关于涡旋的上述认识就导致了大尺度涡模拟的数值解法。这种方法旨 在用非稳态的n s 方程来直接模拟大尺度涡，但不直接计算小尺度涡，小涡对 大涡的影响通过近似的模型来考虑，这种影响称为亚格子r e y n o l d s 应力 ( s u b g r i dr e y n o l d ss t r e s s ) 。大多数亚格子r e y n o l d s 应力模型都是建立在涡粘 性基础上，即把湍流脉动所造成的影响用一个湍流粘性系数来描述。大涡模拟 方法对计算机内存及速度的要求虽然仍比较高，但远低于直接模拟方法对计算 机资源的要求，在工作站上甚至在p c 机上都可以进行一定的研究工作，因而 近年来的研究与应用日益广泛。 应用r e y n o l d s 时均方程的模拟方法是将非稳态控制方程对时间做平均， 在所得出的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等未知 量，于是所得方程的个数就小于未知量的个数。而且不可能依靠进一步的时均 处理而使控制方程封闭。要使方程组封闭，必须做出假设，即建立模型。这种 模型把未知的更高阶的时间平均值表示成较低阶的计算中可以确定的量的函 数。这是目前工程湍流计算中所采用的基本方法。 在r e y n o l d s 时均方程法中，又有r e y n o l d s 应力方程法及湍流粘性系数法 两大类。在r e y n o l d s 应力方程法中，对于在时均过程中引入的两个脉动值乘 积的时均项再建立偏微分方程。在建立两个脉动值乘积的时均值的方程的过程 中，又会引入三个脉动值乘积的时均值，为了使方程组封闭，又须对三个脉动 值乘积的时均值建立微分方程，而在这一过程中又出现了四个脉动速度的时均 值，这在理论上是一个不封闭的困难。我国著名科学家周培源教授在2 0 世纪 4 0 年代，在四个脉动速度乘积这一层次上，加了一个涡景脉动平方平均值的方 程式，从而使r e y n o l d s 应力方程组封闭。这就是十七方程模型，其中包括了 两个速度脉动值时均值( 称为二阶矩) 的方程和三个速度脉动值乘积时均值的 方程。随着计算机工业的飞速发展，r e y n o l d s 应力方程模型在湍流数值计算中 的应用日益广泛，特别是其中对二阶矩建立微分方程，对三阶矩引入近似处理 的方法( 称为二阶矩模型) 已经应用到工程数值计算中。湍流动力粘度法，习 惯上称湍流粘性系数法( 或涡粘法) ，是目前工程流动与数值计算中应用最广 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的方法。 2 5 传热模型 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。在本文所研究的问题中 不考虑热辐射问题。 热量由壁面一侧的流体通过壁面传递到另侧流体中去的过程称为传热过 程。传热过程包括串联着的三个环节：( 1 ) 从热流体到壁面高温侧的热量传 递；( 2 ) 从壁面高温侧到壁面低温侧的热量传递，亦即穿过固体壁面的导热； ( 3 ) 从壁面低温侧到冷流体的热量传递。对于稳态传热过程，通过串联着的 每个环节的热流量巾应该是相同的。设平壁表面积为a ，可分别写出上述三 个环节的热流量表达式： = a ( f ，l 一，。1 ) m = 等刊 妒2 a h 2 u 2 一f r 2 ) o 一热流量；a 平壁表面积；扛、如一表面传熟系数； “、t f 2 一流体温度；f 。i 、t w 2 壁面温度；占壁面厚度： 且一导热系数 将式( 2 - 3 ) 到式( 2 - 5 ) 改写成温压的形式： ( t f l - - w i ) = 詈 w l - 材= 熹 ( t w 2 - - t f 2 ) = 熹 三式相加，消去温度“l 、t w 2 ，整理后得； 中= ! 斜 百+ j 十i ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 堕堡堡三些奎兰三兰堡圭兰堡丝塞 也可表示成： 中= a k ( t r l t f 2 ) = a k a t ( 2 - 1 0 ) 七一传热系数，单位为w ( m 2 k ) ； 式( 2 - 1 0 ) 是换热器计算的基本公式。 影响对流换热的因素不外是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因 素。这些因素归纳起来基本上有五个方面： ( 1 ) 流体流动的起因。由于流动起因的不同，对流换热可区别为强制对 流换热与自然对流换热两大类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成 的，而后者通常是由于流体内部的密度差所引起的。两种流动的成因不同，流 体中的速度场也有差别，所以换热规律不一样。 ( 2 ) 流体有无相变。在流体没有相变时对流换热中的热量交换是由于流 体显热变化而实现的，而在有相变的换热过程中( 如沸腾或凝结) ，流体相变 热的释放或吸收常常起主要作用，因而换热规律与无相变时不同。 ( 3 ) 流体的流动状态。流体力学的研究已表明，粘性流体的流动存在两 种状态一层流和湍流。层流时流体微团沿着流动方向做有规则的分层流动，而 湍流是流体各部分之间发生剧烈的混合，因而在其他条件相同时湍流换热的强 度要较层流剧烈。 ( 4 ) 换热表厦的换热因素。这里的几何因素指的是换热表面的形状、大 小、换热表面与流体运动方向的相对位置以及换热表面的粗糙度。 ( 5 ) 流体的物理性质。流体的热物理性质对流动换热有很大的影响。如 流体的密度、动力粘度、导热系数以及定压比热等都将会影响到流体中的速度 分布以及热量的传递。 如果流场中流体的密度受温度变化而发生变化，会使得流体在浮升力驱动 下产生流动。对于混合对流( 包括自然对流和强制对流) 浮升力的影响程度可 以用格鲁晓夫数( g r a s h o f ) 和霄诺数( r e y n o l d s ) 的比值来衡量： 旦：一g f l a t l ( 2 1 1 ) r 。2 d 2 g r 一格鲁晓夫数；r e 一雷诺数；g 一重力加速度；卢一热膨胀系数 t 温差；上特征长度；u 特征速度 当这个比值大于等于1 的时候，浮升力对流动有很强的影响；而当这个比 值很小的时候，浮升力的作用可以忽略。对于纯自然对流，浮升力对流动的影 哈尔滨工业人学工学硕上学位论文 响可用瑞利数来衡量 r 。：g f l a t l 3 p “口 1 f 印1 一万l 而九 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 口：尘 ( 2 1 4 ) p c 。 r a 一瑞利数；2 一粘性系数；口一热扩散率；p 一密度；c p 一定压比热；j 一 传热系数 当r a 1 0 8 时，浮升力驱动下的自然流动为层流；当1 0 8 r a 1 0 1 0 时， 为层流向湍流转捩的范围。 f l u e n t 提供了两种方法来对自然对流进行数值模拟，给出密度和温度间的 函数关系式，或者用b o u s s i n e s q 假设。后者适用于大多数的自然对流情况，而 且能够较快地收敛。该模型在所有的控制方程中认为密度为一个定值m ，而在 动量方程中对浮升力项做如下处理： 一p 0 ) g “一p 0 f l ( t t o ) g ( 2 1 5 ) 式中p 为流体密度，嚣为整个流动区域的参考温度，声为热膨胀系数。上式是 由b o u s s i n e s q 假设p = p o ( 1 一f l a t ) 推得。这种方法在密度受温度的影响变化 不太大时能够获得很精确的解，可用此判别式f l ( t t o ) 1