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摘要 某冷凝器管束流体诱发振动的研究 摘要 本文根据p t a 生产装置中一台大型冷凝器的生产工艺参数和实际尺 寸，合理的简化模型，利用计算流体力学软件f l u e n t 对冷凝器不同管层的 流速进行分析，并参照g b l 51 1 9 9 9 管束振动的标准进行流体诱发振动的 理论计算，以确定冷凝器管束是否发生流体诱发振动。 本课题主要做了以下研究工作：首先，根据冷凝器的工艺条件参数， 对可能诱发振动的原因进行了分析，主要有流体弹性不稳定、漩涡脱落、 紊流抖振三种诱发机理；第二，根据冷凝器的实际尺寸，在g a m b i t 中合 理的简化，建立分析模型，确定边界条件、材料属性和操作条件，确定求 解方法，并对所研究的冷凝器管束间的流场进行分析，以找到管层最大速 度出现的位置；第三，根据g b l 5 1 1 9 9 9 ，计算固有频率和临界流速；最 后，根据振动判据，计算比较，得出明确的结论。 根据以上分析，模型进口流量较小，流速较低，处于单相流作用下， 进口冲刷的管束有较为明显的速度波动，并在管间隙中出现最大管层速 度，并不会发生管束的流体诱发振动。 本文还讨论了根据流量不变原理，4 根1 9 的换热管合并为l 根中3 8 换热管的简化措施是否合理，根据相似的理论，得出两种流动情况的规律。 本文的研究结果对保证换热器等化工设备安全运行，防止管束发生大 北京化工大学硕士学位论文 幅度振动具有一定的理论价值和实际意义。 关键字：流体诱发振动，换热器，流体弹性不稳定，计算流体力学 t h es t u d yo nt u b eb u n d l ef l o w - i n d u c e d v i b r a t i o no fac o n d e n s e r a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i z ea n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r so ft h e l a r g ec o n d e n s e ri nap t ap l a n t ，o b t a i n i n ga r e a s o n a b l es i m p l i f i e dm o d e l ，u s i n g t h es o f t w a r eo f c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s f l u e n t ，t h i sp a p e r h a s r e s e a r c h e di nt h ed i f f e r e n tv e l o c i t yo fd i f f e r e n tb u n d l et u b e s ，t h e nw i t h r e f e r e n c et og b151 19 9 9 ，g e t t i n gat h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h eb u n d l e f l o w - i n d u c e d v i b r a t i o n ，d e t e r m i n e d w h e t h e rt h ec o n d e n s e rb u d l e f l o w i n d u c e dv i b r a t i o no c c u r r e d t h er e s e a r c hw o r km a i n l yh a sc o v e r e df o l l o w i n g s ： f i r s t ，a c c o d i n g t ot h et e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so ft h ec o n d e n s e r , t h e r e a s o n st h a tw h i c hm a yi n d u c ev i b r a t i o nw e r ea n a l y z e d t h em a i nr e a s o n s i n c l u d el i q u i de l a s t i ci n s t a b i l i t y , v o r t e xs h e d d i n ga n dt u r b u l e n tb u f f e t i n g s e c o n d ，a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ls i z eo ft h ec o n d e n s e r , u s i n gar e a s o n a b l e s i m p l i f i e dm o d e l i n g ；d e t e r m i n i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s a n do p e r a t i n gc o n d i t i o n s ；f o r m u l a t i n gt h es o l u t i o nm e t h o d ；a n a l y s i n gt h ef l o w f i e l da n df i n d i n gt h el o c a t i o na n dt h ev a l u eo ft h em a x i m u mv e l o c i t yi n i i i 北京化工大学硕士学位论文 d i f f e r e n tb u n d l et u b e s t h i r d ，a c c o r d i n gt og b 151 19 9 9 ，t h ee x c i t a t i o nf r e q u e n c ya n dc r i t i c a l v e l o c i t ya r ec a l c u l a t e d f i n a l l y , a c c o r d i n g t ot h e v i b r a t i o n c r i t e r i a ，i th a sa l s oc o n d u c t e d c a l c u l a t i o n ，c o m p a r i s o na n dr e a c h e dad e f i n i t ec o n c l u s i o n b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，i th a sc o n c l u d e dt h a tt h ei m p o r tf l o wi s s m a l l e r , t h ev e l o c i t yi sl o w e ra n dt h em o d e li si ns i n g l e p h a s e ，a n do n l yt h e s e v e r a lr o w s o ft u b e sn e a rt h ei m p o r th a v eam o r es i g n i f i c a n t v e l o c i t y f l u c t u a t i o n t h ef o w - i n d u c e dv i b r a t i o nd o e sn o to c c u r t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e sw h e t h e rt h es i m p l i f i c a t i o nt h a tf o u r 19t u b e s c h a n g i n gi n t oo n e 3 8t u b ei sr e a s o n a b l e ，b a s e do l lt h es i m i l a r i t yt h e o r y , e s t a b l i s h i n gt w os i m i l a rm o d e l s ，o b t a i n i n gt h et w ok i n d so ff l o wp a t t e r n s t oe n s u r es a f e o p e r a t i o na n dp r e v e n tt h e o c c u r r e n c eo fs i g n i f i c a n t v i b r a t i o no nt h eh e a te x c h a n g e r sa n dc h e m i c a le q u i p m e n t , t h i sp a p e ri so fa c e r t a i nt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：f l o w i n d u c e d v i b r a t i o n ；h e a te x c h a n g e r ；f l u i d e l a s t i c i n s t a b i l i t y ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：磁日期：丝坠 ；翟 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：逖e t 期：三丝丝；垄作者签名：盘燃期：三丝丝；垄 导师签名：壶缉 日期：型翌，土堑 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题是自选课题，研究内容是根据p t a 生产装置中一台大型冷凝器的生产工艺 参数和实际尺寸，合理简化模型，利用计算流体力学软件f l u e n t 进行流场的分析；再 按照漩涡脱落、紊流抖振和流体弹性不稳定的机理，参照g b l 5 1 1 9 9 9 标准，计算固 有频率和临界流速，并对换热器管层的不同流速进行分析，确定换热器管束是否发生 流体诱发振动。 1 2 论文选题的目的和意义 管壳式换热器是石油、化工、动力、食品等行业广泛采用的工业设备。随着工业 和生产规模的逐渐扩大，管壳式换热器结构也趋于大型化、流速趋于高速化。并且， 由于换热器尺寸和管束支撑间距的增大、流速提高、运行工况不稳定等因素，经常引 起管束的诱发振动，造成换热器局部失效、额外的压力损失、噪声和传热元件的破坏 甚至整体报废【l 】。据报道，美、英、德、法等许多国家都曾有过多次管壳式换热器发 生管束振动或声振动造成设备失效、工厂停产，经济损失巨大。中国发电设备中的高 压加热器由于管束振动和其他原因造成的损失也是相当惊人。换热器管束的流体诱发 振动问题已经是严重影响换热运行安全性的一个关键问题，所以换热器流体诱发振动 的研究引起了各国学者的广泛关注和重视。 在换热器运行的过程中，为了强化传热和减少结垢，常采用提高流体流速的方法， 然而，流速的提高是导致换热器流体诱发振动的直接原因。本次分析的大型p t a 冷凝 器，为卧式蒸发釜式换热器，是管壳式换热器的一种，其结构复杂，尺寸较大，换热 管数5 9 7 0 根，并处于两相流沸腾工作状态下，拟采用计算流体力学软件f l u e n t 进行 壳程流场的模拟，以获得最大速度所在位置。本课题的研究有助于为换热器设计提供 更为准确的数据，防止管束发生大幅振动，为保证换热器等化工设备安全运行、节约 投资进行有益的探讨。对加快我国先进制造业的研发步伐，大型设备的国产化具有重 要的理论价值和实际意义。 北京化工大学硕士学位论文 1 3 课题历史、现状和前沿发展情况 1 3 1 管壳式换热器的流体诱发振动的研究的引出 换热器运行过程中，由于换热介质的流动而引起传热元件的振动，称之为换热器 流体诱发振动。 流体诱发振动涉及物理学、流体力学、弹性力学、材料力学等领域，是一门新兴 的交叉科学 2 1 。它的研究对象是各种振动机理、流体流动中的各种激发力以及构件在 这些流体力作用下的运动状态。通过对运动场中构件上的力及其响应的分析，预测振 动模态、振动位置、振幅大小，从而评估构件振动的可能性，并辨别其原因，以便采 取相应的有效措施，防止因振动而遭到破坏。一般，纵向流所激发的振动振幅较小， 危害性不大，往往可以忽略，只有在流速远远高于正常流速的场合，纵向流激振才需 要考虑。而横向流在正常流速下就可能引起较大振幅的振动，对传热元件危害最大i 引。 因此，人们更关注的是横向流激振的机理以及以这些为基础的防止振动的方法。很多 学者都做了大量的研究工作，从不同的侧面提出了不同的观点，到目前为止，学术界 比较认同的流体诱发振动机理是“漩涡脱落 、“紊流抖振 、“流体弹性不稳定 、“声 共振 等，简要介绍如下： ( 1 ) 漩涡脱落( v o r t e xs h e d d i n g ) 当流体横向通过圆柱体时，会在圆柱体的背面两侧交替产生脱离漩涡，即某一时 刻，某一侧产生漩涡，而另一侧的漩涡恰好与圆柱体脱离：下一时刻则刚好反过来， 产生漩涡的一侧其漩涡长大、脱离，脱离漩涡的一侧则漩涡重新产生、长大，这便是 熟悉的“卡门涡街现象。当一侧产生漩涡时，相对于另一侧来说流体阻力增大，流 速减慢，即流体动能小，则其静压能增大，相当于产生了一个作用于圆柱体而垂直于 流体流向的横向推力，下一时刻产生漩涡的一侧漩涡脱离，脱离漩涡的一侧又产生漩 涡，则所产生的横向推力反向。如此循环往复，便产生了一个作用于圆柱体的交变力， 即引起圆柱体( 换热管) 振动的力。如果漩涡脱离的频率趋于圆柱体( 换热管) 的固有频 率，则可引起共振，形成较大的破坏性。 换热器的管间距较小，是否存在这种规律性的卡门漩涡，至今仍不十分清楚，但 是某种周期性脱落的漩涡导致管子共振的可能性是确实存在的，特别是液流中周期性 作用力相当大。两相流横掠管束时，在体积含气率或空隙率小于1 5 时才会发生周期 性漩涡脱落1 4 j 。 ( 2 ) 紊流抖振( t u r b u l e n c eb u f f e t i n g ) 紊流中脉动变化的压力和速度场不断供给管子能量，当紊流脉动的主频率与管子 的固有频率相近时，管子吸收能量并产生振动。紊流脉动的频率范围较宽且具有很强 的随机性。管子仅在其固有频率附近产生响应，较少导致大范围的共振响应。由紊流 2 第一章绪论 抖振引发的振动很不规律，因此认为，紊流抖振不是导致管子破坏的最主要原因，而 是产生流体弹性不稳定的重要原因。 在流体为单相流与两相流时，都应该考虑这种振动。紊流抖振的振幅虽小，一旦 耗时太长，管子将产生疲劳破坏，与支撑接触的管壁也将被磨穿。 ( 3 ) 流体弹性不稳定( f l u i de l a s t i ci n s t a b i l i t y ) 当管束中任何一根管子在其原始位置上发生瞬时位移，都会改变周围的流场，破 坏相邻管子上力的平衡，使相邻的管子也产生位移而使其处于振动状态。这种机械耦 联产生的振动，若能从流体的流动中不断获取能量，则振动状态将延续下去。这就是 流体弹性扰动引起的振动。流体弹性不稳定一般是由其他诱发振动引起管子运动的情 况下产生的，流体速度一旦超过某一临界值并稍有增加时振幅即有大幅度增加，流体 弹性力对管束所做的功大于管子系统阻尼作用消耗的功，管子的响应振动振幅将迅速 增大。这种现象是一种低限效应，超过该临界流速就会发生振动，所以确保壳程流体 流速在临界流速以下，显然是十分重要的。 无论是气体、液体还是两相流流过管束时，最常见与最具破坏性的就是流体弹性 不稳定性，因此它也是最重要的振动机理。 ( 4 ) 声共振( a c o u s t i cr e s o n a n c e ) 声共振一般由漩涡脱离引起。通过漩涡脱离引起管子振动，管子振动则激起周围 弹性体的弹性波，弹性波沿换热器径向传播，到换热器内壁被反射，若换热器的内径 为该机械波半波长的整数倍，则入射波与反射波叠加后形成驻波。此时，机械波难以 向外传播能量，导致能量不断积累，产生极大的噪声。声共振只发生在壳程流体为气 体的情况，而对于壳程流体为液体的情况，由于声波在液体中的传播速度很大( 波长很 大) ，而换热器的直径不可能太大，故难以满足驻波形成的条件。 表1 1 为不同流动状态下所使用的振动机理，本课题所研究的是横向流管外液体 流动状态，最主要考虑的是流体弹性不稳定，而对声共振不予以考虑。 北京化工大学硕士学位论文 表1 - 1 不同流动状态下所使用的振动机理 t a b l e l - lv i b r a t i o ne x c i t a t i o nm e c h a n i s mu n d e rd i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n s 流动条件流体弹性漩涡脱落紊流抖振声共振 不稳定 管 轴 内 向 流 管 外 单根 横 管外 向 流 单根 管内 液体 气体 两相 液体 气体 两相 液体 气体 两相 液体 气体 两相 注：卑最重要；幸幸应考虑；有可能；一不适用 目前，很多研究者围绕着四种流体诱发振动机理( 漩涡脱离、紊流抖振、流体弹性 不稳定、声共振) 做了大量的工作，无论是理论研究还是实验分析都取得许多进展，提 出了不少新的理论解释与实验判别式。这些工作在指导换热器设计方面都起到了积极 的作用。但必须指出的是，所有这些预测振动的理论和方法还不足以成功地预测换热 器传热元件的破坏，能说明的只不过是哪些工艺条件和实际操作工况下的换热器容易 遭受损坏。缺乏预测精确性的原因【3 j 是： ( 1 ) 通过管束流动的复杂性；( 有管束上的横向流、轴向流、旁通流和泄漏流等 多股流路。管束两端的进出口处还存在一定的滞流区。各流路中流体流速的大小和方 向在不断变化，呈不规则的非稳定流动状态，整个管束处于不均匀力场中，因而管束 极易受流体流动的各种激发力而诱发振动。) ( 2 ) 流体诱发振动时过多的未知因素； ( 3 ) 振动阻尼的不确定性； ( 4 ) 换热元件的磨损和破坏速度难以准确计量等。 1 3 2 国内外的研究成果 1 3 2 1 流体弹性不稳定的研究概况 流体弹性不稳定机理的第一个研究者是c o n n o r s 。1 9 7 0 年c o n n o r s 用流体刚度控 制的机理，提出拟静态流模型，根据能量平衡分析原理最早提出对比速度导- q 质量 7 口 阻尼参数m s p d 2 之间的定量关系并用来确定单排管发生流体弹性不稳定临界流速。这 4 第一章绪论 就是最常用的著名c o n n o r s 公式：萼= & 4 m s p u 2 ，其中疋即为这两者的定量关系， 1 d 称为c o n n o r s 系数1 5 j 。一个时期以来，为了给出不同管阵的c o n n o r s 系数，人们做了 大量的工作，得到一些具有实用价值的成果。1 9 7 7 年b l e v i n s 又将此模型推广应用于 多排管 6 1 。严格地讲，他们的模型都是流体弹性不稳定分析的拟静力理论模型。 p r i c e 和p a i d o u s s i s 7 】、b l e v i n s 在拟静力模型的基础上进一步考虑了流体的流速对 位移的影响，提出了流体弹性不稳定分析的拟定常模型。c h c n 引、t a n a k a 9 1 等从流体 力学的一般方程出发，提出了流体弹性不稳定分析的非定常模型。上述模型中的流体 弹性力程度不同的需要由实验数据确定，因而称为半经验的理论模型。l e v e r 和 w e a v e r 【1 0 1 】等根据大量的实验数据结果，提出了一种简化的流体弹性系统，采用一维 非定常流动理论，给出了流动流体对所关注的管子作用力的解析表达式。p a i d o u s s i s 等提出了用势函数求解流体力和临界流速的计算方法，这类模型避免了半经验理论模 型需要大量实验数据的麻烦，称为解析模型。 1 9 8 7 年华裔学者陈水生【1 2 】根据非稳态流理论，全面考虑了管子横向、纵向的振 动，振动管与相邻各管的相互作用，以及振动系统( 包括结构与流体) 的刚度阻尼与惯 性推导出一个关联式，也可用来确定临界流速。这是一个很严密的方法，但公式中要 用到的许多流体力参数，必须通过实验才能解决难度很大，因而使公式的推广应用受 到了限制。 聂清德、郭宝玉等f 1 3 】【1 4 】【1 5 1 重点探讨的是l e v e r 与w e a v e r 提出的“流管 模型， 并从不同角度对此模型的正确性进行了理论与实验的论证。管子的振动视为周期的衰 减( 或发散) 运动，并应用非稳态流理论与复数解法求解基本方程。根据实验数据修正 的几何参数以及数值运算的结果画出稳定区图，可用来判别不同管束的流体弹性不稳 定性。尽管这个模型对振动系统的描述有一定的近似性，但其突出的优点是不需测定 许多流体力系数，而只需利用流体阻力系数这一易获得的数据便能确定作用于管上的 流体力，并进一步确定i 临界流速，给设计与研究工作带来很大的方便。 薛明得，王勖成等【1 6 1 对管阵流体弹性不稳定性进行了全面系统的研究，积累了大 量的实验资料，建立了分析理论和方法，并对o b l 5 1 8 9 钢制管壳式换热器中的管阵 流体弹性不稳定性临界流速的计算公式进行进一步的完善和修正，为工程设计提供了 一种可靠的计算方法。 吴一红，王勖成【1 7 1 t 1 s l 从u 型管阵流体诱发振动方程，给出了管阵间流体弹性不 稳定临界流速的计算方法及相关算例。结果表明：在流速沿管轴向均匀分布情况下， u 型管阵的临界流速与频率与u 型管阵中各管子一阶频率平均值的直管管阵流速基本 一致。这一点在设计u 型管阵换热器时有重要的参考价值。在比较讨论临界流速概率 分析的基础上，修正、补充了支承失效概率估计的表达式，提出了一种实用的流体弹 性不稳定的分析方法。 5 北京化工大学硕士学位论文 1 3 2 2 漩涡脱落的研究概况 如果漩涡脱离的频率趋于圆柱体( 管子) 的固有频率，则可引起共振，形成较大的 破坏性。然而，理论上求解漩涡脱落频率相当困难，目前工程实际中一般采用斯特罗 哈数( s t 数) 来确定漩涡脱落的频率。而s t 数的大小一般取决于结构的剖面形状和 雷诺数( r e ) 。对于换热器中管束来说，s t 数是根据管外径和管间最小截面处的平均 流速决定的，s t 数的值与管子的排列方式有关。总的来说主要依靠实验获得【l 】。 管束的振动与s t 和r e 有关，g r e g o n g 等人基于漩涡脱落的机理用s t 和i 沁标绘， 以带状区域指出了管子振动的可能范围，如图1 1 所示。只有在雷诺数和以管子固有 频率为依据的s t 数的特定结合下，才会发生振动。当r e 1 0 之后，振动也不会发生。 r e 图1 - 1 漩涡脱落诱发振动的振动位置图 f i g1 - 1t h ed i a g r a mo fv i b r a t i n gl o c a t i o ni nv o r t e xs h e d d i n gv i b r a t i o n 为了求解由于漩涡脱落而引起的系统振动，必须首先求解n s 方程，求得作用于 系统上的表面力，代入有关振动方程，最终求得系统振动的频率和振幅。但这仅是一 种理想的方程，因为理论求解n s 方程尚无法完成l l j 。 分析由于漩涡脱落而诱发的振动，主要应用尾流振荡模型和相关模型。尾流振荡 模型由b i s h o p 和h a s s a n 于1 9 6 4 年首先提出，后由h a r t l e n 和s k o p 等人改进，可以用 于计算雷诺数在1 0 3 1 0 5 范围内弹性支撑的圆柱体的漩涡脱落诱发振动，但不适用于 非圆截面。在用尾流振荡模型分析漩涡脱落引起的振动时，假设流体的运动沿柱体方 向是完全相关的二元流动。实际上漩涡脱落引起振动时，特别是在振幅不大的情况下， 流体的运动是随机的、三维的。随后，b l e v i n s 和b u r t o n 应用随机振动理论、建立了 6 第一章绪论 动态的漩涡脱落诱发振动模型。通常称这个模型为相关模型。在计算较小振幅的漩涡 脱落诱发振动时，相关模型的计算结果与实验数据具有较高的一致性，优于尾流振荡 模型。 目前，大量的研究工作主要集中在两相流产生的漩涡脱落诱发的管束振动。因为 两相流动的极端复杂性，所诱发的管束振动影响因素众多，现在的研究尚不成熟。 p e t t i g r e w 、t a y l o r t l 9 | 2 0 1 1 2 1 】等研究了管间距、含气率和雷诺数对两相流诱发振动的影响。 谭蔚，聂清德田1 等从工程应用的角度介绍了管壳式换热器中两相流体诱发的振动这方 面的研究成果，简要说明影响振动的主要参数，重点阐述了横向流时两相流体诱发振 动的机理以及必要的计算公式为工程设计提供了重要的理论依据。谢正武、林宗虎l 2 3 1 等对气液两相流绕流顺列管束产生漩涡脱落时的周向压力分布及流体作用力等动态 特性进行了实验研究，并采用双流体模型对气液两相泡状流绕双圆柱流动进行了数值 模拟。 1 3 2 3 管壳式换热器壳侧流场c f d 模拟的研究概况 ( 1 ) 单相流模拟 应用计算流体力学进行换热器模拟最早是由p a t a n k a r 在1 9 7 2 年提出来的l 。2 4 。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就 对工业规模换热器的每一个细节模拟出来不太可能。很多文献都是解连续的n s 方 程，并对壳侧中的换热管和挡板使用分布阻力的概念，以考虑壳侧固体表面对流动的 影响，换热管束则大多看成是多孔介质。由此来简化大型换热器的结构，并对计算的 理论模型进行优化来进行和实际工况较为吻合的数值模拟。 洛阳理工学院的孙启鹏1 2 5 】针对工业中广泛使用的管壳式换热器，比较了几种壳侧 流动的分析方法，并在此基础上提出了适用于单相和汽液两相流路分析法的壳侧单元 流动模型。 邓斌，陶文铨【2 6 】采用全三维、交错网格、全隐格式的计算方法对管壳式换热器壳 侧的流动进行了数值模拟基于各向异性多孔介质与分布阻力的概念，采用修正的k - 模型和壁面函数法，着重分析了管壳式换热器壳侧的湍流流动特性，表明：换热器壳侧 的压力分布及压降的实验数据和计算结果符合良好。 古新、董其伍1 2 7 1 等人根据管壳式换热器的结构特点，采用基于管壳式换热器真实 三维实体模型的几何建模方案，提出了管壳式换热器周期性全截面计算模型，实现了 具有复杂结构的数值模拟，为再现和模拟管壳式换热器壳程的真实流动状况以及分析 各构件对壳程流体流动和传热性能的影响提供了良好的辅助手段。 计算流体力学方法在单相流中的广泛应用在许多行业取得了巨大的成功。对于研 究和计算复杂结构内的单相流动，三维计算流体力学( c f d ) 方法作为一种标准的理论 7 北京化工大学硕士学位论文 计算分析方法已被广泛接受。而且f l u e n t 对单相流的模拟较为成熟，计算精度都能得 到保i 正t 2 s 。 ( 2 ) 多相流模拟 多相流动，是指流体中存在两种或两种以上的相( 气或汽相、液相和固相) ，各 相之间具有明显的相界面，相间存在质量传输、动量传输和能量传输。通常多相流的 界面都存在紊流，并往往会产生流体的弹性不稳定。对于单组份多相流来说，还有相 变，如水和水蒸气之间存在蒸发和冷凝，同一汽泡还存在分裂和合并。由此，多相流 是相当复杂的流动现象，人们往往采用实验的方法对其进行研究。但是工业上存在大 量的多相流问题，由于更高安全性和经济性的需求，均要求精确的定量分析这些局部 两相流动，近年来，越来越多的研究人员尝试采用c f d 方法来研究两相流的问题。 早在2 0 世纪8 0 年代，h i n 等人就提出了流体域v o f 法来直接进行两组分、两 相界面边界的数值模拟，但是没有考虑相变传热的效果1 2 9 】。v o f 法是通过保持多相 流组分体积分数不变，两种或多种流体( 或相) 没有互相穿插，在边界上建立非线性 方程组，每增加一种附加相就引进一个变量，即计算单元里相的容积比，每个控制容 积内，所有相的容积比之和为1 。流体域v o f 法几乎是所有模拟两相流商用c f d 程 序的基础。 多相流动的模拟较单相流动模拟更加复杂，往往需要更小的网格尺寸，因为相界 的存在，描述相界面是否合理对结果影响很大，并且由于方程数量的增加，所耗计算 机存储要大，然而更小的网格尺寸使之对计算机计算能力要求更高，目前尚无法或者 较困难进行完整的两相流物理过程的模拟。 多相流的描述主要考虑总体的性能：压降、体积份额和传热率。在f l u e n t 中，多 相流动模拟一般有v o f 模型、混合模型、欧拉模型等，但每种模型都有其适用的范 围和局限，目前仍无理想的模型来描述多相流的整个过程。流型过渡无法较好描述， 例如，由浮力引起而受到紊流限制的汽液分层就难以描述。 对于汽水流动两相流，压力是一个重要影响因素，在低压工况，空泡份额的增加 主要是由气泡尺寸的增加引起的，因为在低压过冷流动中产生的气泡较大，而在高压 下产生的气泡较小。j y t u 和g h y e o h 研究发现，壁面热流密度的划分( 决定加热壁 面附近相间质量传输) ，气泡尺寸和界面浓度( 决定相间动量传输和相间传热) ，气泡 脱离直径和它与气泡产生频率的关系( 用于模拟壁面热流密度的划分) 等因素对低压 工况下空泡份额分布的精确计算有重要的影响刚。 夏文庆、刘卫华等【3 1 l 对双两相流换热器以分布参数、一维均相模型为基础，建立 了管壁两侧两相流流动时的质量、动量、热量传递的耦合方程，采用“假想亚稳态法 确定流动相态的准则方程式，得出两相流动传热过程中各种参数的变化规律。 陈达卫、王启杰等人【3 2 】对t e m a - f 型换热器壳侧环状流时两相流换热特性进行了 实验研究，针对工业上常用的壳侧环状流两相流换热器提出一个理论预测模型，该模 8 第一章绪论 型计算简单而实用，并且与实验测得数据吻合较好。 对两相流动现象与过程进行精确的预测和控制能力，依赖于对流动和传热现象的 适当描述及数学模型与数值方法的合理选择，发展完善两相流动模型是c f d 商业软 件面临的重要挑战【3 3 1 。目前，在两相流领域中实验研究与测量方法仍占据着无可替代 的首要位置1 3 训。 纵观换热器流场的c f d 模拟概况，无论是单相流还是两相流，c f d 的计算结果， 在定性方面都符合良好，从定量来看，与实验数据存在的差异，影响精度的因素有很 多，如网格质量、模型和工程实际的符合程度、求解格式的选择等。模拟的可信度是 c f d 程序面临的一个严峻的挑战。在c f d 模拟的同时，还需利用理论论证和实验数 据对计算求解的准确性进行评估。 1 3 3 国内相关规范标准介绍 从2 0 世纪6 0 年代初，我国压力容器行业开始制定较为完整的压力容器设计规范。 为编制压力容器的国家标准，1 9 8 4 年7 月成立了“全国压力容器标准化技术委员会 。 1 9 8 9 年颁布了第一版的国家标准，即g b l 5 0 8 9 ( 钢制压力容器。与此同时，在g b l 5 0 的基础上先后又制定了g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器、j b 4 7 3 2 1 9 9 5 钢制压力容器 一分析设计标准等一系列国家标准和行业标准。 g b l 5 1 1 9 9 9 管壳式换热器根据国家质量技术监督局1 9 9 3 年“制修订标准项 目计划”的安排对c g b l 5 1 8 9 进行修订，根据所取得的检验和国内管壳式换热器发 展的需要，并参照近期国际同类标准进行了变动。而“管束振动 则以参考件的名目 列入附录，其主要内容【3 5 】为： ( 1 ) 流体诱发振动的计算； ( 2 ) 换热管固有频率的计算； ( 3 ) 振动的判据； ( 4 ) 防振措施。 本文主要采用g b l 5 1 1 9 9 9 附录e 管束振动的相关标准，进行管壳式换热器管束 间横流速度、固有频率等计算校核。 1 4 本课题分析研究的内容 ( 1 ) 换热器管束较多，换热面积大，各管层的流速复杂，采用合理的简化方法， 在g a m b i t 里建立符合实际的模型，并进行网格的划分； ( 2 ) 将输出的m e s h 文件导入f l u e n t ，根据该冷凝器的生产工艺参数设置模型的 材料属性、边界条件、操作条件、求解方法等进行流场分析； 9 北京化工大学硕士学位论文 ( 3 ) 冷凝器的壳程流体处于两相流状态，是一个沸腾换热的过程。要进行两相 流的数值模拟缺乏足够的实验数据和状态参数，所以用单相流模拟大致的流动情况， 以获得冷凝器的壳程流场的分布和管层最大速度所在位置。在管壳式换热器中，流速 的大小是诱发流体振动的关键因素，因而这也是本课题的流场分析中关注的重点； ( 4 ) 按漩涡脱落机理、流体弹性不稳定机理或其他各种机理计算固有频率或临 界流速，并和模拟所得的流动情况进行对比，确定是否发生诱发振动，并研究诱发振 动的条件。 1 0 第二章某冷凝器的分析计算条件 本次分析的冷凝器是p t a 生产装置中的一台结构较特殊的换热设备，是种带蒸 发空间的固定式管板换热器，其目的是为了将管程的氧化尾气的热量加以回收，以冷 却管程的氧化尾气，壳程介质为蒸汽凝液。为了提供充足的蒸发空间，在其壳程筒体 中间部分用了个6 0 。的斜锥壳连接。 2 。1 某冷凝器主要结构尺寸 该冷凝器整体长度为1 2 5 1 8 m m ；采用固定式管板，其直径为( p 2 9 0 0 m m ，管板厚 度为8 5 m m ，；管箱壁厚为2 8 r a m ，；壳体壁厚为2 4 m m ，；壳体斜锥壳内径为4 6 0 0 i l m l ， 壁厚为2 4 r a m ，；换热管规格为1 9 x 1 2 5 m m ，材料为t a l 不锈钢；换热管总根数为5 9 7 0 根，在管板上为正方形排列。整体结构示意图见图2 - 1 ，主要结构尺寸见表2 - 1 。 3 s 2 0 。2 5一幽 一i 一 础鞘谶二隔 8 a b 一n 7 ，_ _ 一 一 一；lhh 刖ii i 2 卑3 u i 澎e 嚣嵋登斟| p 1 锄 3 5 7 一 2 4 4 0。8 5 + 1 0 7 ， 。肇。龠矿急 。o 入 基准矗 焉； 一r 志 1l lf、 卜 昌 却一 令 、 瑚了隅 , - 3 2 5y i 蓦菱 一， 簪 鋈 ， b l i b l 2 b 、 o ：x 母 镣 必酬 8 季二 厅司 n 3 a b ， 。j f ) l 翼 = = i 一 b 二 一 二 4 8 0 萨 lm n 6 ￥茎芝意素v 茎 一1 2 5 1 b一 。 一 图2 - 1 冷凝器结构简图 f i g 2 1t h ec o n d e n s e rs t r u c t u r ed i a g r a m 北京化工大学硕士学位论文 表2 - 1 冷凝器主要结构尺寸 项目尺寸项目尺寸 2 2 某冷凝器的工艺条件 冷凝器的设计参数和操作条件，见表2 2 。 表2 - 2 冷凝器的设计参数和操作条件 项目参数项目参数 1 2 第三章计算流体力学及f l u e n t 软件的概述 第三章计算流体力学及f l u e n t 软件的概述 3 1 计算流体力学的概述 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) ，简称c f d ，是建立在经典流体力 学与数值计算方法基础之上的一门新型的独立学科，它是为了弥补理论分析方法的不 足而于2 0 世纪6 0 年代发展起来的，通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间 和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它兼有理论性和 实践性的双重特点，建立了许多理论和方法，为现代科学中许多复杂流动和传热问题 提供了有效的计算技术。 起初计算流体力学的研究大多是基于经典流体力学基本理论以及一些理论模型 的推导，所涉及的问题大多是可求得理论解的线性问题【3 6 】。进入1 9 世纪2 0 年代，随 着一些基本流体力学物理规律的全面阐述，逐渐建立了可用来求解与湍流、射流、激 波等物理现象有关的控制方程及边界条件，奠定了计算流体力学发展的理论基础，并 进一步推动计算流体力学向更为复杂的工程领域发展。但工程所涉及的流体力学问题 大多是非线性的，因而出现了将非线性问题近似地转化为线性问题，进而利用已有的 线性求解方法得到比较接近实际问题的近似解。这也是计算流体力学研究方法的基本 思路，即流体力学问题的数值研究方法。 从最简单的差分方法到后来的有限元法、有限差分法、有限容积法及谱分析法， 极大的丰富了c f d 研究的手段，使得现代c f d 技术的发展更侧重于对复杂工程问题 的研究、计算的集成化处理以及对已有数值模型及计算方法的改进和完善。它广泛的 应用由于航空、能源动力、化学化工、冶金、交通等各个领域，这又促成了大型通用 c f d 商业软件的开发和投入使用，其典型代表有p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r - c d 、c f x 、 a n s y s 等。这些软件的开发使工程人员的更多的注意力集中于对所研究的问题物理本 质的理解，极大的提高了工程实际问题的解决效率，并使得c f d 研究方法所涉及的 领域更加广泛，朝着大众化、深层次的方向。 数值计算方法要求对问题的物理特性有足够的了解( 一般通过实验方法了解) ， 并能建立较精确的描述方程组( 通过理论分析而得) ，大致可分为以下几步： ( 1 ) 建立基本守恒方程组 数值模拟的第一步是由流体力学、热力学、传热学等的基本原理出发，建立质量、 动量、能量、组分、湍流特性的守恒方程组，如连续方程、动量方程、组分方程、湍 能方程等。对于不同的工程实际和研究内容，从不同的模拟理论出发，往往基本的守 恒方程也不相同。 ( 2 ) 建立或选择模型或封闭方法 1 3 北京化工大学硕士学位论文 写出基本方程组后，这些方程组往往是不封闭的，特别是湍流、多相流、化学反 应流等。例如，动量方程中的脉动速度关联项( 雷诺应力项) ，能量方程中的湍流导 热项及辐射项，扩散方程中的扩散项及湍流反应项等都是未知的，解决这一问题使方 程组封闭就是模拟理论的关键问题。 ( 3 ) 确定初始与边界条件 按给定的几何形状和尺寸，由问题的物理特征出发，确定计算域并给定计算域的 进出口，轴线( 或对称面) 及各壁面或自由面处条件。边界条件是否合理往往也是数 值模拟成败的关键之一。 ( 4 ) 划分计算网格 采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散， 然后求解得到的离散方程组，其本质就是把连续的空间变量用离散的网格点上的变量 来近似，连续的控制方程在离散之后就成为所有网格点上变量的非线性方程组。要想 在空间区域上离散控制方程组，必须进行网格划分。现在已经发展出多种对各种区域 进行离散以后生成网格的方法，网格生成技术也成为c f d 领域的一个分支。 ( 5 ) 建立离散化方程 用数值方法求解偏微分方程组，必须将该方程组离散化，即把计算域内有限数量 位置( 网格节点或网格控制体中心点) 上的变量作为基本未知量来处理，从而建立一 系列关于这组未知量的代数方程组，然后通过求解代数方程组来得到这些节点上的 值。 对于所引入的因变量在节点之间的分布，假设及推导离散化方程的方法不同，形 成了有限差分法，有限容积法，有限元法或有限分析法等不同类型的离散化方法。在 同一种离散化方法中，对方程中对流项所采用的离散格式不同，也将导致不同形式的 离散方程，这种离散格式通常称为空间差分格式。 ( 6 ) 制定求解方法 对离散完成的差分方程组已经有各种不同的求解方法，例如涡量一流函数法，基 于压力速度修正算法( s i m p l e 系列算法) ，基于密度的耦合隐式或显式时间推进求 解算法，矢通量分裂方法和通量差分分裂方法等。针对代数方程组的求解有三角矩阵 法( 追赶法) 、逐线迭代、松弛高斯赛德尔迭代方法等。 ( 7 ) 研究计算技巧 除了上述基本解法之外，还要针对具体问题的特点，研究一些计算方法的细节或 者计算技巧。例如对于合理而经济的网格划分与安排，有时候要选择随过程的空间或 时间而变化的网格系；又如对不规则形状边界的处理，松弛系数的选择等。 ( 8 ) 数值模拟结果和实验的对比 对各种工况进行大量的模拟计算后，如果判断解收敛，就可以得到一批可用的变 量场预报结果。判断解的收敛性是一个经验性很强的问题，常用的判断方法就是判定 1 4 第三章计算流体力学及f l u e n t 软件的概述 残差值小于设定的某个小量。在实际应用当中，经常需要配合以总的质量流量、某点 的物理量变化或某个截面通量物理量的变化、物体所受的力或力矩的变化来综合判 断。 必须将这些模拟的预报结果和变量场的测量结果进行对照，例如速度场的 p d p a p 激光量测结果、热电偶获得的温度场量测结果等进行比对，或者根据一些 经验公式的理论结果，定性且定量地评价结果或模拟理论及方法的优缺点及可靠性， 方便选择更合适的模拟理论及方