（工程热物理专业论文）非能动余热排出热交换器的数值模拟与设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 当整个系统的动力装置由于意外事故而停止工作时，快速、安全地将大量的余热 排出系统之外是非能动余热排出热交换器的重要任务，也是保证系统核动力装置能够 安全运行的重要条件。自上个世纪以来，非能动余热排出热交换器已得到深入的研究 并广泛应用于工业上，尤其是航空航天、化工、核电厂，航海等许多领域，因此，对 其作一些理论与数值模拟研究具有重要意义。 产 非能动余热排出热交换器的工作原理是通过冷却水的自然对流将系统内部水蒸汽 释放的热量排出系统之外。本文在参考文献的基础上，根据已有的余热排出热交换器 的结构进行几何建模，对大空间的竖直管壁附近流场进行理论分析并建立冷却水的自 然对流数学模型。通过计算分析发现，热交换器内的自然对流相当强烈，且当蒸汽通 过余热排出热交换器的管程向冷却水传递热量时效果更显著，此外，需要改进换热器 原有的结构以达到尽量减少流动死区和强化换热的目的。 本文还建立了蒸汽侧两相流的数学模型，对管内蒸汽两相流动进行了数学模拟， 两相流动过程中的流场分布进行了后处理，分析讨论了流体与壁面换热系数的变化以 及壁面摩擦压降对两相流传热的影响。 根据蒸汽侧两相流和海水测自然对流计算结果，结合工程计算技术对换热器进行 设计计算，并和原有热交换器的设计进行比较，验证数值模拟结果的正确性。 非能动余热排出熟交换器几何建模，网格划分及计算结果后处理都是借助于大型 通用计算流体力学软件f l u e n t 6 0 实现的。在运用软件实体模型进行数值模拟过程 中，所用的软件及相关的知识也作了较为详尽的论述。 最后，本文对非能动余热排出热交换器的设计及其数学模拟研究从理论上到实践 上都提出了几点建议。0 ，一 ，一、一。 na 厂 关键字t 非能动余热排出热交换器i 两相流f 自然对流i 数值模拟迅塑壁垄黟 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o rt h ed e s i g no fp a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a le x c h a n g e r ( p r h r e ) ，i ti s v e r y i m p o r t a n t t h a th o wt od i s c h a r g et h er e s i d u a lh e a to u to f t h ep o w e r p l a n tb y h e a te x c h a n g e ri n t h e w a y o f n a t u r a lc o n v e c t i o nc i r c u i tw h e nt h ee n t i r ee l e c t r i c i t yo f p o w e r p l a n t i ss h u to f f , a n d i ti sa l s oa l li m p o r t a n tf a c t o rf o rt h ep o w e r p l a n tt ow o r k i ns a f e t y p r h r eh a sb e e ns t u d i e d e x t e n s i v e l yd u r i n gt h el a s tc e n t u r ya n db r o a da p p l i c a t i o n s i n i n d u s t r i e s ，p a r t i c u l a r l y i n e l e c t r i cp o w e r p l a n t s ，c h e m i c a li n d u s t r i e s ，n u c l e a rp o w e rp l a n t s ，n a v i g a t i o ne t c t h e r e f o r e ， i ti ss i g n i f i c a n tt om a k ead e v e l o p m e n ta n ds i m u l a t e dr e s e a r c hi nt h i sa r e a 1 1 1 e q u a n t i t yo fh e a tg i v e nu pb yt h e s t e a mi nt h ef i r s tc i r c u i t s y s t e ms h o u l d b e d i s c h a r g e db yp r h r ei nt h ew a yo f n a t u r a lc o n v e c t i o ni nt h es e c o n d a r yc i r c u i tt h r o u g h w h i c hw a t e rg o e sa sc o o l a n t g e o m e t r ym o d e lh a sb e e ns e tu pa c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a l p r h r e ac a r e f u la n a l y s i so ft h ef r e ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro nav e r t i c a lc y l i n d e rh a s b e e nm a d ea n dam a t h e m a t i c a lm o d e lo fn a t u r a lc o n v e c t i o nh a sb e e ns e tu p d u r i n gt h e c o m p u t a t i o nh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c ya n d c a p a b i l i t y o f p r i - r eh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t a n da sar e s u l tn a t u r a lc o n v e c t i o ni nt h es h e l ls i d ei sm u c hm o r ev i g o r o u s l yt h a ni nt h et u b e s i d e b u ti np l a c e sn e a rt h ec e n t e ra x i sa n di nt h ec o r n e r a tt h et o po f t h eh e a te x c h a n g e r ，t h e v e l o c i t yi sa l m o s tn e g l i g i b l e ，w h i c hc a n b et h o u g h ta b o u tt h a tt h ec a s i n gc o n f i g u r a t i o no f t h eh e a te x c h a n g e rh a sa l li j le f f e c to nt h ef l o wo ft h ef l u i di nt h ew h o l ed o m a i n d u et ot h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t o ft h eh e a te x c h a n g e ru s e di nac e r t a i ns u r r o u n d i n g s ，t h i sk i n do fh e a t e x c h a n g e r s h o u l db eo p t i m i z e dt oi n t e n s i f yh e a te x c h a n g e a m u l t i p h a s ef l o w m o d e lh a sa l s ob e e ns e tu pi nt h i sp a p e r , i nw h i c hm a n yk i n d so f f a c t o r st h a tc h a n g et h ep r e s s u r eh a sc o n s i d e r e da n dg i v e ne x p e r i e n t i a ls i m u l a t i o n s a c c o r d i n g t ot h er e s u l to f m u l t i p h a s es i m u l a t i o na n d n a t u r a lc o n v e c t i o ns i m u l a t i o no n e i t h e rs i d eo f t h eh e a te x c h a n g e r , ac o m p u t a t i o no f t h ed e s i g nf o rt h ep i m r e h a sb e e n d o n e c o m b i n e dt oe n g i n e e r i n gc o m p u t a t i o n ，v a l i d a t i n gt h em a t h e m a t i c a ls i m u a t i o nc o m p a r e d 、i t ht h ep r h r ew h i c hh a sb e e nd e s i g n e db e f o r e n 华中科技大学顽士学位论文 ；_ 日目_ - _ _ | _ = i 口自s = t = = = _ 4 自_ 目= i i lt h i sp a p 。r ，f i u e n t6 0i su s e da sa t o o lt os o l v et h ep r o b l e m a l lt h ew o r ki n c l u d i n g g e o m e t r y m o d e l i n g ，m e s h i n g ，c o m p u t a t i o na n dp o s t p r o c e s s i n gh a sb e e nd o n eo nt h e p l a t f o r m f u r t h e r m o r e ，a l li n t r o d u c t i o no f t h i ss o f t w a r eh a ss h o 、i nd e t a 讧 i na d d i t i o n , l l 】em a l nw o r kh a sb e e ns l m l 1 a r i z e d ，s o r e e i d e as h o w nf o rt h ec 。m i n g s t u d y a tt h el a s to f t h i s p a p e r k e yw o r d s ：p a s s i v er e s i d u a lh e a tr e m o v a le x c h a n g e r t w o p h a s ef l o wn u r n e r i c a l s i m u l a t i o nn a t u r a lc o n v e c t i o n g e o m e t r ym o d e l i n g 一一 j i j 华中科技大学顽士学位论文 1 1 课题的背景 l绪论 研究菲能动余热排出系统对于核动力装置的安全运行具有重要意义，当系统动力 装置由于意外事故而停止作用时，非能动余热排出系统能否将系统大量的余热排出外 界环境。关系到整个系统的安全运行以及工作人员的生命安全。世界上对它的研究从 能动余热排出系统开始，目前主要有如下三种类型的余热排出系统： 能动余热捧出系统 一种是高压型余热排出系统，其设各简单，不设专用泵。另一种是低压型余熟排 出系统，其特点是整个系统在低压环境下进行，应用较广泛，最典型的例子是英国塞 士威尔b 核电站的余热排出系统i l 】，但系统复杂，其系统的高可靠性和安全性完全是 通过增加系统的冗余性、多样性、独立性等来获得，维护不方便。能动系统的最大闯 题是需要相当大的能源才能使其正常运行。 非能动余热捧出系统 如上所述，非能动余热排出系统是在系统动力装置由于意外事故而停止作用的情 况下，为了维护人员和财产安全而应运而生的。现阶段非能动余热排出技术发展的趋 势是对正在运行中的核电厂作技术改进，使其安全性能得到提高。其中比较典型的是 俄罗斯的v p b e r - 6 0 0 一体化非能动安全反应堆【2 卅。 非能动系统的最大特点是不要求运行人员的干预就可以缓解设计标准事故 ( d b a ) 。它仅使用“自然”力，如重力，自然循环或压缩气体来驱动。安全壳结构、 水池或大气提供了用来排出衰变热的热阱；它没有能动设备如泵、风扇、柴油机、水 冷装置等。非能动余热排出系统可获得数天无人值班时间。另外，由于压力和温度差 驱动的非能动冷却能力通常较小，单相传热率也相对较弱，因此冷却剂的蒸发和冷凝 通常需要较大的传热面积和热交换尺寸，尤其作为最终热交换设备的余热排出热交换 器更应该如此。 混合型余热捧出系统 该系统综合了前两种系统的优点，克服了各自的缺点。这种系统具有迅速终止事 故扩大的能力，提供了在不同事故工矿下操作的灵活性，并且在最佳组合中根据操作 】 华中科技大学硕士学位论文 人员的判断而得到应用。同时它以非能动安全系统作为备用系统，备用系统承担了能 动安全系统相当部分的作用，使能动安全系统大大简化，核安全性得到进一步提高。 采用该系统的有1 9 9 4 年日本p w r 公司、三菱重工业公司以及美国西屋公司联合开发 的新代大型p w r 混合安全系统【5 ”。俄罗斯根据“北极星”破冰船经验而建造的浮 动式核电站用k l t - 4 0 c 型堆已经实际应用于b i l i b i n o 热电联供核电站，c h a u n 联供电 站和s c v g r n o es i j a n i e 浮动式气体透平电站，该电站系统运用了“水冷”混合余 热排出系统 8 - 9 1 。 余热排出系统在反应堆装置安全系统中的地位特殊，世界上许多反应堆装置研究 单位已开发出不少有创意的设计，其成果正影响着新一代核反应堆装置相关系统的开 发和设计。国内外大量的理论和实验研究中，非能动余热导出系统设在蒸汽发生器二 次侧的资料比较多i m ”，这些研究成果表明，把研究重点转移到二回路非能动余熟导 出系统对于各种类型装置非能动余热导出系统的研究都具有重要的实用价值。 1 2 换热器及传热研究的现状 换热器是一种广泛使用的工艺设备，在炼油、化工、电场热力系统及航空航天领 域都是不可缺少的工艺设备之一。因此，换热器的研究备受重视。从换热器的设计、 制造、结构改进到传热机理的实验研究一直都在进行。特别是上个世纪七十年代初发 生能源危机以来，各国都纷纷寻找新的能源及节约能源的途径，丽换热器是节约能源 的有效设备。在余热回收、利用地热、太阳能等方面都离不开换热器。因而各国都正 在致力于各种高性能换热器及换热元件的研究，其中不少是国家直接下达的重点课 题。近年来换热器及传热技术的发展主要表现在以下几个方面【l 扣。 1 、研究工作的动向 目前世界上每年发表有关传热及换热设备方面的文献约6 0 0 0 篇以上。有关新能 源开发的文章日益增多，研究的重点是传热机理、传热强化、两相流、模拟及测试技 术、计算机的应用、振动、污垢以及与能源利用和环境保护有关的新型高效热交换器。 对传热基础理论的研究探讨十分重视，一种新的动向是：从数学模型和物理模型出发， 用数学方法推导出精确的计算公式。 2 、计算机的应用 应用计算机不仅节省了人力、提高了效率，而且可以进行最优化设计与控制；使 其达到最大技术经济性能。例如美国珀斯卡古拉炼油厂常减压装置的原油换热系统， 2 华中科技大学硕士学位论文 由于采用了换热系统的最佳化设计及其他改进措施，平均传热系数达到 4 4 5 k c a l m 2 h o c 。传热分析、应力分析、信息储存与检索以及模拟和控制等都编有 程序。有些程序从工艺设计开始，直到绘出图纸。计算机自动绘图机只需十几分钟即 可绘一张标准换热器图纸。不仅如此，换热器内部热力分析与流场模拟均可由专门的 计算机软件代为完成。本课题所研究的关于非能动余热排出系统的设计与数值模拟就 是在大型通用计算机软件f l u e n t 6 0 中完成的。 3 、高温高压抉热器的发展 随着工艺的进展和大型化装置的出现，大型高温高压换热器的使用越来越多。炼 油厂加氢换热器就是一个例子。近年来，高温高压换热器的结构、材料和制造方面都 有一些新进展，管箱和密封结构均有一些改迸，管子进口区的热防护获得了一些改善。 另外还采用了薄管板或挠性管板结构以减小热应力：使用小管子密排列，改善了管子 与管板的连接。 4 、发展强化传热瞥 传热管是管壳式换热器的主要传热元件，国内外对传热管的研究非常重视。通过 改进热管的性能，就能提高换热器的性能。强化传热管的方法主要有两种：一种是尽 量扩大它的有效挨热面积，但又不过分增大热胆。另一种方法是改良传热表面的性能， 使之既符合传热机理的要求，又能充分发挥其特点。 s 、采用新材料并控棚污垢 由于工艺条件日趋苛刻，迫切需要一些新的材料。在换热器制造中，人们正在不 断寻找适合不同场合的材料，使其比重小、抗腐蚀性能高，强度高。金属材料方面以 钛效果不错，在非金属材料方面最具有代表性的是聚四氟乙烯塑料，自美国杜邦公司 于上个世纪六十年代中期研究成功这种塑料换热器以来，由于它优越的抗腐蚀污垢性 能，国外推广使用很快。 美国传热研究公司对换热器的污垢问题已进行了多年的研究，通过对污垢形成的 机理、生长速度、影响因素的研究，预测污垢曲线，从而为控制污垢、实时清洗提供 了途径和依据。广泛采用涡流测试技术来加强运行中的检漏，使快要损坏的管子能及 早得到更换和堵漏，避免非计划停工损失。在换热器中采用有机涂层，能有效地防止 海水腐蚀，且不易结垢。 此外，国外对发展换热器的清洗技术极为重视，组织专业的维修清洗公司，针对 不同条件，采用最适合的清洗方法，并研究了专门的清晰设备工具，如化学清洗车、 高压水清洗车及管束拔出装置等。这样能保证换热器高效率、长周期运行。 3 华中科技大学硕士学位论文 1 3 余热排出热交换器的任务 反应堆停堆后，堆内功率并不立即降为零，堆内燃料元件生成的裂变碎片和裂变 产物将继续衰变，由此产生的衰变热应及时从堆芯带出；如需将堆芯冷却到安全水平， 不仅需要降去衰变热，而且必须将载热剂及一回路装置的显热除去。因此，必须设置 余热排出系统对反应堆堆芯进行冷却，在这个余热撵出系统中，余热排出熟交换器起 着至关重要的作用l ，j 。 一回路中的反应堆停堆后，余热排出热交换器需要传递的释热来源有以下几个方 面：一、反应堆停堆后的衰变热：二、主载热剂系统的释热：三、反应堆本体和系统 管道的释热。 反应堆停堆以后的释热下降速度有如下几个影响因素：瞬发中子所引起的燃料裂 变；活性区材料的热惯性及其蓄热量；缓发中子及光中子( 若堆内存在光中子的话) 所 引起的燃料裂变，堆运行过程中积累的燃料裂变产物的p 和，射线能量。瞬发中子的 功率在几分之一秒内就降下来了；热惯性与活性区材料和冷却条件有关。在停堆后的 几分钟内，对功率下降影响最大的因素是缓发中予及光中予。缓发中子引起燃料裂变 所产生的热量经3 5 分钟后就可以忽略不计；如果堆内有光中予，则其贡献约为缓发 中子所占份额的1 5 左右。 反应堆在停堆几分钟后的很长一段时间内，热功率的主要组成部分是裂变碎片的 和r 射线能量。当反应堆在稳定功率水平上运行时，热功率n ，y 取决于裂变碎片 及衰变产物的放射性衰变所放出的能量，约为总功率的5 6 ，功率的主要组成部分 ( 约占9 5 ) 是中予使燃料裂变所产生的中子功率n n 。反应堆在大幅度降低功率运行 之后，特别是停堆后，口，其主导作用。 主载热剂系统释热、反应堆本体以及管道系统的释热，所有这些释热的总和及系 统总释热，必须通过联系二回路和三回路的非能动余热排出热交换器排出。对于核动 力装置而言，由于在高温高压强放射性条件下工作，一旦发生重大事故，后果将不堪 设想。因此，核动力装置的安全问题是设计、制造和运行中的一个极为重要的问题， 必须设置核动力装置工程安全设施系统，其中，非能动余热排出系统是工程安全设施 系统的重要组成部分。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本论文主要研究的内容 本论文使用c f d 软件对非能动余热排出热交换器的内部流场进行全三维数值模 拟，并对模拟的结果进行分析与讨论。主要内容包括以下几个方面； f 1 ) 阐述非能动余热排出热交换器的工作原理，在参考文献的基础上对现有的余热排 出热交换器进行了简单的设计，并建立了熟交换器换热平衡的基本数学模型。 ( 2 ) 介绍了f l u e n t 6 0 软件的数值模拟方法，适当简化了非能动余热排出热交换器的 并对其进行了几何建模和网格划分。 f 3 ) 建立了换热器冷水侧自然对流换热模型，借助于经典自然对流理论，对管束之间 的自然对流进行理论分析并建立新的数学模型。数值模拟时，设置冷却水通过换 热器管内和管外并对计算结果分析比较，得出强化传热的一些结论。为寻找换热 器最佳设计方案提供依据。 ( 4 ) 建立了换热器蒸汽侧两相流的均相流模型，考察了管内两相流流场中主要参数变 化。 ( 5 ) 根据壳程自然对流和管程蒸汽的两相流数值模拟结果，利用工程设计方法，得出 主要计算参数，对非能动余热排出热交换器进行设计。 5 2 1引言 2 余热排出热交换器基本理论 管壳式热交换器是在一个圆筒形的壳体内设置平行管束。让两种流体分别从管内 空间( 或称管程) 和管外空间( 或称壳程) 流过进行热量的交换。在传热面较大的管壳式热 交换器中，管子根数很多，从而壳体直径较大，以致它的壳程流通截面很大。这时如 果流体的容积流量较小，流速较低，因而换热系数不高。为了提高流体的流速，可以 在管夕 空间装设与管束平行的纵向隔板或与管束垂直的折流板，使管外流体在壳体内 曲折流动多次。另一方面，如要提高在管内空间流动的流体流速，也可以在管箱内装 一分程隔板。 值得注意的是，在管壳式换热器内部装隔板或加翅片，这种情况般适合于强制 对流式换热器，如果流体流量或流速较小，在热交换器内设置隔板和翅片，反而会使 得沿程压降增大，不利于强化传熟，本论文研究的余热排出热交换器属于在自然对流 情况下检验换热器的换热能力，采用光滑管束较为合适。 管壳式换热器的主要优点是结构简单，造价低廉，选材范围广，处理能力大，还 能适应高温高压的要求。虽然它面临着各种新型的热交换器的挑战，但由于它的高度 可靠性和广泛的适应能力，至今仍占主要优势。例如在日本，其产量占全部熟交换器 的7 0 ，产值占了6 0 j 。 2 2 余热排出热交换器工作原理 2 2 1 余热捧出系统方案的设定 非能动余热排出系统余熟排出热交换器的的设计需要考虑方案的确定和计算方 法的选择，关于重大影响的因素可参见有关文献【9 】。 余热排出热交换器可以分为舱外和舱内两种布置方案。舱外布置方案是将热交换 器布置在耐压壳体之外的方案，其最大优点是系统仅有管道通向舱外，这样不影响舱 室的布置，使舱室内部其他部件的布置显得宽松一些。但是这种方案存在一些无法解 决的根本性问题：1 在非耐压壳体之外的布置，通过采用空气冷却方式的换热器的尺 - 华中科技大学硕士学位论文 寸较大，这样会影响艇体的型线，增加阻力和噪声。2 在耐压壳体与非耐压壳体之间 布置虽然对型线影响不大，使得尺寸相对小一些，但在水上是通过汽化海水换热，不 能保证舰船的水上稳定性，而且还要直接面对海水泄漏的问题，保养清洗也很困难。 因此此法亦不可取。3 位差的要求使热交换器不可能布置在低位，舷外的热交换器很 容易露出水面，这样会导致热交换嚣结垢严重，材料热疲劳加剧，降低了热交换器的 使用寿命。 舱内布置方案是将热交换器布置在耐压壳体之内的方案，所有这些方案都是针对 上述在舱外布置方案的缺点而提出的，该方案的一个明显缺点是占用了舱室的空间并 会导致舱内布置的局部调整，并且由于放射性条件的制约，使舱内布置方案操作维护 困难。因此就目前国内外关于热交换器布置的发展趋势而言，难一的选择是如图( 2 i ) 所示的布置方案： 图2 1二回路非能动余热排出系统 从堆舱主蒸汽管引出的蒸汽支管穿过后辅机舱前隔壁与熟交换器迸气口相连，其 间设闸阀作隔离阀，正常运行时常开；从热交换器下部引出的凝水管穿过后辅机舱前 隔壁与蒸汽发生器下部相连，其间设电磁阔和手动旁通闸阀，两阀正常运行时常闭； 海水进出口管路各设两道液动球阀作为舷侧阀，正常运行时常开：热交换器封头设检 查管路，时刻监测海水泄漏，确保系统不运行对漏入蒸汽围路的海水得到控制。 华中科技大学项士学位论文 2 2 2 余热捧出系统的工作原理 如上所述，船用核动力装置反应堆余热排出必须经过三个回路，如图( 2 2 ) 所示1 9 1 1 反应堆冷却剂系统，该系统将反应堆的衰变热输送到蒸汽发生器二次侧； 2 汽水回路，包括蒸汽发生器余热排出热交换器及管路阀门，如图( 2 1 ) ； 3 冷却水回路。 图2 2 二回路非能动余热排出系统工作原理图 当发生全艇断电事故时，保护装置使反应堆快速停堆，主蒸汽系统浮机舱前隔壁 舱阀关闭。主汽轮机、汽轮发电机、给水泵等二回路汽动设备停止工作，给水系统止 回阀处于关闭状态，蒸汽发生器二次侧因蒸汽不能外送导致压力升高。与此同时，汽 水回路凝水管上的电磁阀因断电而打开，二回路非能动余热导出系统开始启动。 由于凝水管路电磁阀打开前，余热排出热交换器及其上部存在一定高度的液柱， 电磁闽打开后，这部分凝水依靠液位差自动流入蒸汽发生器，余热排出热交换器中的 传热管随水位下降开始接触蒸汽，使冷却水回路中的海水得到加热。海水密度随温度 升高逐渐减小，形成与舷外海水密度差，此密度差与海水回路有效高度的乘积即为冷 却水回路的循环动力并形成自然对流，实现冷却水的自然循环。 2 3 余热排出热交换器的基本物理模型 为了便于数值模拟与设计计算，这里暂且采用原有的设计方案，据此，余热排出 热交换器的设计如图( 2 3 ) 所示，该换热器属于单程、内部没有折流板、有材料为b 3 0 ( 毋3 5 2 5 ) 的管子3 0 根，成三角形布置。管子为光管，没有翅片且管间距5 6 m m ， b 华中科技大学硕士学位论文 两个封头均为椭圆形，厚度2 0 m m 。该换热器的特点是结构简单、紧凑，在同样的壳 体直径内，排管最多。但对于整个系统而言，需要两个相同热交换器对称的排列以保 持快速高效换热，如图( 2 4 ) 所示。 图2 3 换热器结构图 图2 4 换热器系统布置图 2 4 余热排出热交换器的全设备畿量平衡方程 2 4 1 焓变化闻的关系方程 对于换热器两侧的流体满足以下的方程： 嘲( ，。一 ，。) = ，吒( _ 1 1 2 ，。一吃。) ( 2 1 ) 这里：嘲、唬分别表示海水和蒸汽侧汽水混合物流率o s ) ：厅表示流体的比焓( j 瓜g ) 。 该方程建立换热器内海水与蒸汽侧汽水混合物两股流体进出口状态之间的关系。 2 4 2 温度变化同的关系方程 海水在加热过程中不会也不能发生相变，即它不能被汽化，否则，将会发生换热 流动阻塞现象。蒸汽侧流体通过冷凝，完全变为2 4 m p a 下的饱和水，然后继续冷却。 在此变化过程中，描述其温度变化时，应当把蒸汽冷凝时的汽化潜热也包括进去，于 9 华中科技大学硕士学位论文 是有： 廊1 c p ，( 五洲一墨卵) = r a z c r ，：( ( 五洲一e 。) + 拿蔓) ( 2 2 ) 。p 2 。川、c 分别表示海水和蒸汽在其实际换热过程中的温度变化范围内的平均定压 比热。呜为蒸汽在2 4 m p a 压力下由饱和温度冷凝成同温度的液态水时的汽化潜热。 2 4 3 平均相互作用系数及驱动力 海水沿壳程通过自然对流的方式从下面经过换热器向上流，蒸汽沿管程冷凝，显 然，在换热器的各点处温差都不相同，情况复杂，两种流体属于无传质的传热，这里 采用平均值的方法得到如下计算公式： 蜴2 = a k ( a )( 2 3 ) 这里： 幺。表示由蒸汽向海水传递的热量： a 表示管程与壳程之间的传热面的总面积； 足表示两流体之问的总传热系数。 i 葡表示该量的空间平均值，其形式上的定义如下口1 l 口2 l 【2 珂： 丽斫万；j - k ( a t , , ) 一a a ( 2 4 ) 这里的乙被称为“有效”温差或“平均”温差，定义为对数平均温差与一个修 正系数c ( 针对本换热器而言，取c - - - - - 1 ) 的乘积形式： 乙“盎毒崭暮茜c 亿s ， 显然，这里的瓦 ，就是对数平均温差，它说明是蒸汽进口与海水出口的温差以 及蒸汽出口与海水进口温差的对数平均值。其表达式为： = 彘矗揣亭 关于总传热系数k ，运用f l u e n t 软件数值模拟时，k 作为主要参数可以在后 处理中显示出来。 i o 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 热交换器的几何建模 随着计算技术的发展，计算机性能的提高，计算方法的不断改进，计算流体力学 ( c f d ) 已成为建立在经典理论和实验流体力学基础上的一门新型独立学科。它是流体 力学与数学物理方程理论、计算数学、数值方法和计算机科学等多学科交叉的学科。 它同时兼有理论性和实践性的双重特点，为流体流动的分析研究开辟了一条崭新的途 径 2 4 6 】。今天，数值模拟方法已成为研究流体力学中各种物理现象及工程设计的重要 手段。 科学技术日新月异，面向工业应用的信息技术得到了飞速发展。其中，c a d 是 较早的广泛应用于制造业的一种信息技术。c a d 的应用使制造业企业经历了一次设 计革命。它在很大程度上增强了企业产品开发能力、提高了开发效率、缩短了产品开 发周期、提高了企业的竞争实力。同时，制造业的发展也促使c a d 技术不断完善和 发展。从最初的二维平面图形到三维实体模型，更准确、直观、形象的表现产品的形 状特征：参数化、变量化c a d 技术的提出，加快了产品设计速度、方便产品设计参 数的修改；网格技术的引入，为下游系统的运行奠定了基础；c a d 与虚拟现实技术 的结合，使设计人员在“高交互”和沉浸式并行开发的虚拟环境中完成产品数字建模， 并且，在设计阶段就能预先感受未来产品的状态。c a d 无论在可操作性、运行效率 以及用户界面人性化方面都取得了巨大的进展【2 7 “】。 目前比较常见的有名的通用商业c f d 软件有p h o e n i c s 2 9 3 0 、c f x l 2 9 l 口1 - 3 3 、 s t a r - c d l 3 1 3 4 - 3 5 1 、f l o w 3 d 1 2 9 1 、f u j e 卜一2 9 】阅、a n s y s f l o t r a n 、f i d a p 、f i r e 、 s h i p f l o w 【3 7 l 等，这些软件各有其特点和优势。但f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念”，能高效率的解决各个领域的复杂传热流动的计算问题。作为 一个通用求解器，f l u e n t 适用于低速不可压缩流动，跨音速流动乃至可压缩性强的 超音速和高超音速流动等各种复杂的流场。f l u e n t 丰富的物理模型使用户能够精确 的模拟无粘性流、层流、湍流、化学反应、多相流、传热模型、自然对流等多种多样 的复杂的传热流动现象。 f l u e n t 软件最早是由美国f l u e n ti n c 于1 9 8 3 年推出的商业c f d 软件。它 l i 华中科技大学硕士学位论文 是在大型机上开发的，且经过近二十多年来的不断更新和考验，功能是比较齐全和可 靠的。f l u e n t 可对流体换热流动现象进行探索和预测，为研究与设计提供指导，是 理论与实践相结合的产物，是国际c f d 软件发展的新阶段。在理论研究上，它研究 描述流动现象的各类方程的解；在工程应用上，其目标是用数值模拟的方法辅助传热 流动产品设计。产品设计质量用数值模拟来评价，从而可大大缩短设计周期，降低成 本，提高产品质量。因此f l u e n t 在工程上的广泛应用将会改变传统的产品开发策略 和设计模式，在实际应用中具有广泛的发展前景。随着微机软件技术的高速发展， f l u e n t 程序中的很大一部分已经移植到微机平台上。尤其是占微机操作系统主流的 m i c o r o s o f t 公司的d o s w i n d o w s 的b i o s 的开放性和d o s 扩充技术的出现，使 f l u e n t 软件可以充分利用高档微机和各种资源，这样便使得在为平台上进行较大规 模的分析计算成为可能。f l u e n t 6 0 于2 0 0 1 年1 2 月已经正式在中国发行。根据最 新发布的消息，f l u e n t 6 0 中的重要前处理模块g a m b i t 2 1 的一些新特性也于2 0 0 2 年1 2 月在上海的f l u e n t 年会上做了详细论述。f l u e n t 6 0 在其原有的基础上不仅 增加了一些新的模型和算法而且还强化了在传热传质领域中的应用。 早在这之前，余热排出系统非能动余热排出热交换器的设计和数值模拟，都是通 过其他的工程软件进行计算的，其计算精度和准确性如果能与实际结果保持在3 0 的 误差范围就已相当不错。这里借助美国开发的大型通用计算流体软件f l u e n t 6 0 对 整个余热排出热交换器进行几何建模与数值模拟。本章将结合余热排出热交换器的几 何建模详细介绍f i l ，e n t 6 0 的一些基本原理。 3 2f l u e n t 6 0 中的数值模拟 f l u e n t 6 0 是一种c f d 求解器，它可以求解各种复杂流动，包括不可压缩流动( 低 亚音速) 、弱可压缩流动( 跨音速) 和强压缩性问题( 超音速) 。由于f l u e n t 6 0 有多种求 解方法的选择，并且提供了多重网格方法来加快收敛速度，因此它可以为速度范围很 广的流动问题提供高效准确的最优求解方案。f l u e n t 6 0 提供了丰富的物理模型，可 以准确的预测层流，转捩和湍流问题，各种形式的换热、化学反应、多相流以及各种移 动网格和网格自适应的问题。对余热排出热交换器的数值模拟就以此为实验平台进行。 如图( 3 3 ) 显示了余热排出热交换器内部流场进行几何建模、数值模拟的一般过 程。一般而言，其整个分析过程可分为三个阶段，即前处理过程、中间求解过程和后 处理过程。 1 2 华中科技大学项士学位论文 图3 3f u j e n t 6 0 的数值模拟过程 3 2 1f l u e n t 应用于产品开发中的一般过程 前处理过程 设计人员通过对用户需求进行分析，进而转化为产品性能的一种抽象表达，最后 直接反映到新产品的结构、形状以及其他具体尺寸数据中去。产品的方案设计是新产 品开发的第一步，它通常是以经典理论为指导，以设计人员的设计经验为基础，通过 比较成熟的设计方法或设计软件来完成的。方案设计实现了从抽象到具体的转化，把 对一种新产品的构思变成一个由数据组成的“数字产品”。因此，我们还必须通过c a d 实体建模，运用虚拟技术，对数据进行形象、逼真的表现，进行产品外观审查与修改； 同时，对“数字产品”进行相应的前处理，为其后的科学计算、性能分析做准备 3 8 3 9 。 这个阶段主要任务是实体建模，一般要完成物理模型、数学模型的建立以及计算 域网格划分等工作d 7 】【4 ”。其工作主要是在g a m b i t 模块中完成，当然也可以在其 他模块如t g r i d 、p r e p d f 等中进行。这个阶段需要确定所分析问题的明确范围，确立 物理模型进行实体建模。主要工作如下： 确定流体的状态，流动是层流还是湍流，是单相流还是多相流等。模型的选 择有多种，针对本课题研究的对象，在冷却水侧需要明确的是应当选择湍流模型。湍 流模型的选择有多种，包括涡粘性输运模型、多种k s 模型( 标准k 一占模型、r n g k f 模型和真实k s 模型) 、k 一湍流模型、雷诺应力模型以及大涡模拟等，通过比较分 1 3 华中科技大学硕士学位论文 析发现，对于非能动余热排出热交换器采用标准j i 一s 模型已经足够精确。当模拟蒸汽 侧两相流动和冷凝时，应明确选取多相流模型。多相流模型的设定相当复杂，该模型 和物质材料的选择混合在一起。根据不同的组分的相容性，可以采用v o f 多相流模 型、混合模型以及欧拉多相流模型。采用一定的多相流模型后，需要选择不同的参数 进行模拟。这里不在分述。 边界条件的设定。将问题的边界设置在条件已知或者容易确定的地方。边界 条件的设定是非常重要的，f l u e n t 6 0 提供了多种不同类型的边界条件，总的来说分 为压力边界条件，速度边界条件壁面边界条件，进出口小孔等。边界条件的参数必须 准确的设定，也可以由用户自定义函数参数或通过p r o f i l e 方法调入另一模型的计算参 数结果作为该模型新的边界条件。 定义流体的物性，流体是常物性还是变物性，是可压缩还是不可压缩： 流动参数，包括维数( 二维或三维) 和时间( 定常或非定常) 。 简化假设，对于所研究的问题抓住主要矛盾。例如当物理过程中流体的物性 变化不大时可作常物性的假定；三维物理量的场在某一方向变化相对于其它两个方向 很小时，可做二维的假定。 其他处理。如壁面的处理，近壁处理方法值得关注，f l u e n t 6 0 提供标准壁 面函数、非平衡壁面函数和增强壁面函数三种处理方法。此外，对于自然对流传热问 题，可以采用b o u s s i n e s q 假设进行简化，也可以自行定义密度函数来模拟由于密度的 变化引起的浮升力作用等。 在确定物理模型后，根据模型写出该过程的控制方程及相应的定解条件( 初始条 件及边界条件) ，建立数学模型。在确定了物理模型和数学模型后，我们必须对其求 解区域生成计算用的网格。 分析者应当预先猜测流体流动的基本情况，明确哪个地方流体的梯度变化较大， 那些区域流速慢，变化趋势小。在不同的流体区域，网格应当采取不同的处理方法以 使计算准确。例如：如果对于边晃层区域以及无穷远处是层流的区域，在靠近壁面的 区域的网格密度必须比外部区域的网格密度要密得多，如果壁面区域的网格太粗，该 网格就不能在求解中捕捉到由于巨大的梯度变化对流动造成的显著影响，相反那些长 边与低梯度方向一致的单元可以有很大的长宽比。为了得到精确的结果，应使网格能 在边界上更好地保持恒定的网格特性和好的正交特性。网格文件调入到f l u e n t 6 0 求解器中后，并不是立刻就能够求解计算，首先需要对网格进行分析处理，包括网格 检查，光顺与交换( s m o o t h s w a p ) ，这步工作必不可少。求解结束后，如果通过后处理发 华中科技大学硕士学位论文 现计算结果和实际差距较大，这可能是网格的质量不高所致，重新几何建模和网格划 分显得繁琐，一种较好的方法是对原有的网格进行调整与改进。通过自适应网格( 加密、 稀化) 技术使网格的分布符合实际流体流动的状况。用户也可以自定义变量等参数来改 善网格。网格调整包括缩放、平移、合并、融合和分离，此外还有混合网格的生成工 具。 前处理阶段的最后步就是确定物理过程中控制方程的离散方法。该控制方程是 一组偏微分方程，为了能将其数值求解，需要将这组微分方程转化成前面所划分网格 中每一个节点上的一组代数方程，前处理工作到此为止。 中同求解过程 完成“数字产品”模型的计算求解。这个过程涉及计算方法、分析软件及模型参 数的选择和大量代数方程的求解运算【4 2 - 4 孤。 求解的数值算法有很多，例如有限差分法、有限体积法、有限元法、有限分析法 和格子气法等等。 f i 劂t 6 0 提供了三种求解方法，每种求解方法都有如下的特点：非结构网格下 的有限体积法；可以对所有速度范围的流动进行计算；采用隐式方法时自动调整时间 步长；一阶精度和二阶精度的差分格式。基于压力的分离求解算法包括s i m p l e 、 s i m p l e c 、p i s o ，离散格式包括一阶迎风格式、二阶迎风格式、中心差分格式和q u i c k 格式。多种压力插值格式和代数多重网格求解法。 耦合计算方法也很全面，对于不可压问题和混合流动问题采用预处理方法提高收 敛性。对于所有流动变量采用耦合的求解方法，对于湍流模型、用户自定义方程采用 分布的求解方法等。 如果采用通用的求解器，我们必须通过观察求解过程中相关变量的改变量，监视 求解的收敛性及稳定性。这些变量包括速度、压力、温度等等。一个分析通常需要多 次重启动分析。通过修改一些诸如松弛因子的参数，使求解问题收敛。 后处理过程 这个过程主要完成数值计算结果的分析及数值计算不确定度的估计。在此过程中， 我们可以将数值计算的结果和原问题的物理特征联系起来，验证模型中的假设及结果 的合理性。 后处理部分提供了友好的用户图形交互界面和功能齐全的数据显示形式。提供了 操作日志和描述，可以进行诊断和错误跟踪，可以进行建模、求解和后处理的自动控 制，可以获得模型和算法的简要报告；对于各种变量( 温度、速度、密度、压力、力 1 5 华中科技大学硕士学位论文 和力矩等) 可以获得其表面以及体积积分和平均值的计算和报告；可以监视变量的最 小值和最大值，可以监视流量、热量和化学组分：可以得到计算结果的统计图，速度 场温度场及矢量图等。对于图中的某些细节方面的信息，也可以通过探针获得数据， 数据的输入和输出非常方便。此外，软件还提供了强大的拷贝功能，便于对图象进行 分析和处理。用户无论是了解整体的还是局部的流动细节和性能都能通过这些功能很 方便的