（化工过程机械专业论文）低雷诺数下纵流壳程换热器强化传热研究.pdf

摘要 管壳式换热器是许多工业部门中广泛采用的一种通用设备，近年来，由于工 艺要求、能源危机等诸多因素，对其进行强化传热研究已成为科研工作者的重点 研究课题。 纵流式支撑结构的开发与研究是当前管壳式换热器强化传热研究的一个重 要方向。折流杆、扁钢条、空心环等纵流式支撑结构已经投入使用。纵流式支撑 结构具有传热效率高、流动阻力小等优点，但在低雷诺数下，壳程流体不能达到 充分湍流，传热效果较差。 本文首次验证了纵流壳程换热器选用波纹管作为换热元件采用单元流道模 型对壳程进行数值模拟的正确性，同时验证了数值模拟结果的正确性。 在此基础上，本文选用波纹管与拆流杆、扁钢条、空心环三种纵流式支撑结 构进行复合，通过数值模拟计算方法，利用f l u e n t 软件，对三种组合结构的 壳程流体流动和传热进行数值模拟。通过分析其流体流动和传热特性，并与各种 支撑结构与光管组合时的壳程传热性能进行对比，结果表明，纵流式支撑结构与 波纹管复合，能充分发挥二者的强化传热作用，壳程传热性能明显优于各种支撑 与光管组合时的情况。 因此，采用波纹管与纵流式支撑结构复合，能提高壳程的传热效果，弥补各 种纵流式支撑结构与光管组合时在低雷诺数下传热效果差的不足，扩大其使用范 围。本文的数值模拟方法对纵流式支撑结构和波纹管的推广应用具有指导意义。 关键词：纵流式支撑结构波纹管强化传热数值模拟 a b s t r a c t s h e u a n d t u b eh c a te x c h a n g e r sa r eu n i v e r s a le q u i p m e n t si nm a n yi n d u s t r i a l f i e l d s i nr e c e n t ”盯s ，b e c a u s eo ff 如t o r ss u c h 船p m c e s sr e q u i r e m e n t s ，e n c r g yc r i s i s e t c ，“h a sb c c o m eah o tt o p i ct or c s e a r c hh c a tt r a n s f e re n h a n c e m e m r e s e a r c ha n dd e v e l o p 也el o n g i t l l d i n a ls u p p o r t i n gs t n l c t u r c si so n eo fm e i m p o n a n ta s p e c t s m a n ys u p p o r t i n gs 缸1 l c n l r e sl i k er o d b a m e ，n a ts t e e ib 瓯a n dr i n g h a v eb e e nu 廿l i z e d t h e s es 仃u c n 船sh a v em a n ya d v a n t a g e so fh i 曲e rh e a tt r a i l s f c r e m c i e n cy ，l o 、v e rn o wr e s i s 掘n c e ，e t c b u t ，i 1 1m ec a s eo fl o w e rr e y n 0 1 d sn u m b e r ，m e f l u i do nt h es h e u s i d ec a n n o tb ed e v e l o p e dt oam l lt u r b u l e n c e ，s ot h eh e 砒t r a n s f e r e 艏c i e n c yi sw o r s ct l l 孤t l l a _ to f h i 曲e rr e y l l o l d sn u m b e l t h ec o r r e c 忸e s so fu s 魄p e r i o d i c 删td u c tm o d e l t os i m m a t em es h e l l 一s i d e n o wa n dh e a tt m s f 旨i sc 锄n n e df o rt l ef i r s tt i m e ，w h e nu s i n g 曲屺c o r r u g a t e dt u b e m e a l l w h i l e ，l ea c c u r a c yo f n u m c r i c a ls i i i m l a t i o nr e s l l l t si sv e r i f i e d b a s e do nt l l ec o n f i 瑚a t i o n ，f l u e n ts o f t w a r ei sc m p l o y e dt os i m u l a t et h e s h e l l - s i d en o wa n dh e a t 仃a n s f e ro fc o m p o 吼ds 恤l c t u r e so fb o mc o r r u g 砒e da n d s m 0 0 mt u b e st or o db 棚e ，n 砒s t e e lb a r 锄dr i n g t h ed e t a i l e da i l a l y s i so fn o wa 1 】d h e a tt r a n s f 打i sc 枷e do u ta n dt h ec o m p a r i s o no fh e a t 讹n s f e re m c i e n c yb e 铆e e n c o m l g a t e da i l ds m o o t l lt l l b e sa r co b t a i n e d t h er e s u j t sa p p r o v e 也乩t l l ec o m b i n a t i o n o fc o m l g a t e dt u b e st 0s u p p o n i i l gs i l c t u r e sc a ne 丘b c t i v e l ye r l l l a n c et l l eh e a t 仃a n s f e r e f f i c i e n c y ，a n di sb e t t e rt b a i lt h a to f s m o o mt u b e s t h e r e f o r e ，u s i f l gt l l ec o m b i n a t i o no fc o 删g a t e dp i p et os u p p o m n g s t r u c t u r e sc a i l e t l i l a l l c et h es h e l l s i d eh e a tt r a n s f e re 伍c i e n c y ；“c a nb e1 1 s e dt oi m p r o v e 也eh e a t 打a 1 1 s f e re f f b c tu s i n gs m o o _ l lt u b e si nt h ec a s eo fl o wr e ) m 0 1 d sn 枷曲e rt h u s ，m e a p p l i c a t i o ns c o p eo ft h c s es u p p o n i n gs t 九蚓 t 1 1 e s m l lb e 、i d c l ye x p 趾d e d t h e s h u l a t i o nr e s l l l t so f 血i sd i s s e r t a t i o nc a np r o v i d eag u i d et o1 h ea p p l i c a t i o no f 协e s u p p o n i n gs 廿1 1 c t i l r e sa n dc o 肼g a t e dp i p e s k e yw o r d s ：l o n g i t u d i n a ls u p p o r t i n g u 咖e ，c o 删鲥e d 砌坞，h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：夸业 聊占年年月万日 郑州大学硕士学位论文 1 1 传热及其强化1 _ 9 】 1 1 1强化传热技术发展概况 l 文献综述 2 0 世纪7 0 年代以来，工业技术进入了一个新的阶段：动力、化工等工业部 门中，设备的操作压力和温度越来越高；核电厂的数量增加，反应堆中的大量热 能要求高效安全地传递给蒸汽发生器：航空航天、车辆、船舶和电子工业的飞速 发展，要求提供高效紧凑的换热设各：能源危机日盏严重，为了节约能源，提高 经济效益，能耗较大的工厂迫切需要有效的节能设备。因此各国竞相采取节能措 施，大力发展节能技术。随着中国工业化和城市化的迅速发展，一方面需要大量 的能源支持，另一方面能源浪费却十分严重，因此提高能源的利用率、降低能耗 是迫切需要解决的问题。 换热过程涉及大量能量转换问题，在节能技术改造中具有很重要的作用。在 全民节能、全行业节能、全社会节能的大趋势下，换热领域正经历着一场革命， 强化传热已成为科研工作者们的重点研究课题。 1 1 2强化传热基本原型州2 】 传热的基本方式有三种：热传导、热对流和热辐射，其传热机理各不相同。 由于本课题研究的换热器内的传热主要由热对流来完成，并且主要是强制对流， 所以下面只介绍强制对流强化传热的机理。 大量实验研究表明，对流换热的热阻主要集中在边界层，在边界层内流体的 流速和温度沿壁面法线方向急剧变化，对流换热过程包括流动边界层和温度边界 层，边界层分析揭示了对流换热过程的本质，并为强化传热提供了解决思路。 流动边界层 当流体流过固体壁面时，由于壁面的阻滞，与壁面直接接触的流体速度立即 降为零。由于流体粘性的作用，近壁面的流体将相继受阻而降速。随着流体沿壁 面向前流动，流速受影响的区域逐渐扩大。通常定义，流速降为来流速度u 0 的 郑州大学硕士学位论文 9 9 以内的区域为边界层，将流体速度从u _ o 到u = o 9 9 l l o 对应的流体层厚度定义 为边界层厚度，用6 表示，其中，u = o 处( 即固体壁面) 为边界层内边界，u = o 9 9 u 0 处就是边界层的外边界。如图1 - 1 ( a ) 所示。 y 边界层 毫妻缒： ( a ) 流动边界层及边界层厚度( b ) 平壁上流动边界层的形成与发展 图1 - l 流动边界层 流体沿平壁流动时流动边界层的形成与发展如1 1 ( b ) 所示。在平壁前部，边 界层内的流动是层流，称为层流边界层；随着流体沿平壁继续向前流动，边界层 内的流动将过渡为湍流，称为湍流边界层。在层流边界层与湍流边界层之间存在 一个过渡区。即使在湍流边界层中，由于壁面与流体间的粘滞作用，在紧靠壁 面的极薄层中，液体仍然保持层流状态，这一薄层称为湍流边界层的层流底层， 其厚度用6 嚷示。湍流边界层里的速度变化主要集中在层流底层。 充分发展的流动 层流内景萼渡层 匪蓼堡霾噩争鲫 ( a ) 较小 ( b ) u o 较大 图1 2 管内流动边界层的形成与发展 管内流动边界层的形成与发展如图1 2 所示。当粘性流体以均匀流速u 0 流 进水平圆管时，由于流体粘滞于管壁，在管壁处形成边界层并逐渐加厚，而运动 的连续性使管中心流体加速，从而使得流体速度沿流动方向不断变化。当边界层 充满整个流动截面、速度分布不再发生变化时，就建立了所谓的充分发展流动。 据此可将管内的流动分为两个区域：一是边界层汇合以前的区域，称之为进口段 流动；另一是边界层汇合以后的流动，称为充分发展的流动。 管内边界层的形成与发展有两种情形：其一是u 0 较小，进口段形成的层流 边界层直接在管中心汇合，而后达到充分发展的层流流动，如图l - 2 ( a ) 所示； 郑州大学硕士学位论文 其二是u 0 较大，在进口段内首先形成层流边界层，然后逐渐过渡到湍流边界层， 再在管中心汇合形成充分发展的湍流，如图1 2 ( b ) 所示。 与平壁上的湍流边界层类似，在管内的湍流边界层和充分发展了的湍流流动 内，径向上也存在着流动形态迥异的三层流体：靠近壁面的层流内层，其外为过 渡层，最外才为湍流主体。 热边界层 当流体流过固体壁面时，若二者温度不同，流体与壁面将发生对流传热，由 于对流传热主要是借流体质点的移动和混合来完成的，因此对流传热与流体的流 动状况密切相关。与流动边界层的形成类似，壁面附近的流体受壁面温度的影响 将建立一个温度梯度，一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为温度边界层， 亦称热边界层。 y t 。 t x ( a ) 液体被固体加热 t ，x ( b ) 液体被国体冷却 图1 - 3 平壁上温度边界层的形成和发展 当流体流过平板壁面并与其进行传热时，平板壁面上温度边界层的形成和发 展如图1 3 所示，温度t o 的流体流过温度为t 。的平板壁面，温度边界层厚度6 t 在平板前缘处为零，而后逐渐增厚并延伸到无限远处。在热边界层以外的区域， 流体的温度基本上相同，温度梯度可视为零。显然，热边界层是进行对流传热的 主要区域。 对流换热过程的强弱与热边界层的厚度6 t 的大小有着密切的关系。热边界层 的厚薄，影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差 一定时，热边界层愈薄，则( d 伽y ) w 越大，因而对流传热系数就愈大；反之则相 反。 理论和实践均已证明，当流动边界层厚度6 减小时，相应的热边界层厚度6 。 将会按一定的比例减小。一般来说流动边界层的厚度6 大于热边界层的厚度6 。， 郑州大学硕士学位论文 比例的大小只取决于流体的物性参数。因此，减小热边界层的厚度对于强化对流 传热具有十分重要的作用。 温度边界层外缘 x 图1 4 流体流过管内时的温度边界层 当流体在管内进行传热时，管内热边界层的形成和发展亦与流动边界层类 似。如图1 4 所示，温度为t 。的流体进入管内后，因受壁面温度的影响，热边界 层厚度由进口的零值逐渐增大，经过一段距离后，在管中心汇合，热边界层厚度 即等于管子半径。但是，温度分布与速度分布不同，超过汇合点后，温度分布将 逐渐趋于平坦；若管子的长度足够，温度梯度可能消失，截面上的温度最后变为 均匀一致等于壁面温度t w ，此时，传热也就停止了。 随着节能工作的深入开展，需要相继研究和开发各种高效能、低成本的换热 设备，以满足工业生产要求，目前解决的措施主要是采取各种强化传热的方法。 例如，研制特殊形状的翅片结构：增加对流的扰动，以破坏对流传热的边界层； 开发能有效地进行沸腾或凝结相变传热的特殊传热面等。 1 1 3 管壳式换热器强化传热研究 管壳式换热器的强化传热主要从管程和壳程两个方面进行研究。 管程传热强化1 3 。1 9 】 管程强化主要是采用各种异型管取代原来的光滑直管或通过在管内增加插 入物的方法来实现。目前研制出来的异形管主要有波纹管、螺纹管、横纹管、螺 旋槽管、内波纹螺旋管、螺旋扁管等。管内内插物种类很多，如螺旋线、纽带、 错开纽带、螺旋片和静态混合器等，使用内插物可以降低管内流体由层流转变到 湍流时的临界雷诺数。 介绍各种异型管的资料很多，在此不一一详述。本课题主要讨论波纹管的强 4 郑州大学硕士学位论文 化传热，下面着重对波纹管进行介绍。 波纹管在工业中有着广泛的应用【2 0 】。它最初主要用作仪器仪表中的弹性敏感 元件，测量环境的压力、力、温度、流量等，也可以作为连接、密封、补偿和介 质隔离等功能器件。长期以来波纹管的性能和它的特性只能用实验方法来测定。 从2 0 世纪4 0 年代开始，世界各工业国家的研究机构和生产厂家才进行了广泛的 研究，并出现了一些基础性设计理论，这些理论主要集中在波纹管结构和力学性 能的研究，主要方法有解析法和有限元法。 2 0 世纪7 0 年代，曾有人提出用波纹管作为换热管用在管壳式换热器上；随 着强化传热技术的发展，波纹管作为异型强化换热管逐渐受到人们的重视。2 0 世纪9 0 年代，我国研制开发了波纹管换热器。波纹管换热器采用波纹管代替光 滑直管，不仅可以强化管内传热，对强化管外传热也有很好的效果。实验研究及 工业应用均发现口1 0 2 1 ，其换热效率在管壳式换热器产品中具有明显的优势，有良 好的推广前景，目前已广泛应用于热电、石油化工、城市集中供热、余热回收以 及轻工、食品、冶金、制药等领域的热量交换过程中。 ( 1 ) 波纹管的管型及加工制造埘】 波纹管作为换热管，从波形上分为螺旋形波纹和环形波纹二大类。螺旋型波 纹管的制造容易实现自动化，不足之处是接头部位不好处理，因此限制了其使用。 现在制造厂大多以生产环形波纹管为主。环形波纹管的按波形大致可分为以下几 类：波鼓形波纹管、梯形波纹管、缩放管、波节管，分别如图1 5 ( a ) ( d ) 所示。 管暖 、尸飞 魄d 垃如共剖圳 ( a ) 波鼓形波纹管( b ) 梯形波纹管 衄吩 ( c ) 缩放蕾( d ) 波节管 图1 1 5 环形波纹管 对于环形波纹管的制造，目前比较通用的有三种方法：滚压法、液压胀形法、 郑州大学硕士学位论文 橡胶胀形法。 滚压法的特点是工装简单，通常是以普通车床为主要设备，在刀架上安装特 殊设计的滚轮，通过卡盘带动管坯旋转，同时，刀架逐步进给，最终加工出符合 尺寸要求的波形。不足之处是加工直径和长度受车床结构限制。一般来说，适合 直径较小、加工长度较短、加工硬化影响不明显的材料。 液压胀形法是波纹管制造业最常用的方法，其特点是适用范围大，可以一次 成形多波。不足之处是工装量大，工作环境较差，成形时密封困难。 橡胶胀形法也是比较成熟的工艺，其特点是设备、工装都比较简单，单波连 续成形。不足之处是小管径管坯或管壁较厚时不宜采用此法。 f 2 ) 波纹管强化传热机理分析【2 6 】 对无相变传热来说，所有的研究均是以破坏边界层、使边界层减薄，降低边 界层热阻，从而提高传热系数为目的。波纹管也不例外，其传热机理初步分析可 认为如下： 由于截面的周期性变化，使管内外流体总是处于规律性的扰动状态，即 使在流速很低的情况下，流体在管内外也会形成比较强烈的扰动，使管内流体的 温度、密度、杂质含量沿径向均匀分布，从根本上减小了结垢和堵塞的可能性： 管内流体沿流动方向的流动是在反复改变速度及压力梯度下进行的，呈 波峰处流体速度低、静压增大，波谷处流体速度增加、静压减小的状态，在波纹 管的波峰进口处发生喷射效应，在出口发生节流效应，两效应的结果使壁面内侧 发生无数小旋涡，加强了流体的湍流程度，使管子的全部内表面都受流体的冲刷， 破坏了边界层，并且还冲刷了污垢层； 由于流动中改变形状不需太高的流速，故流动阻力不至于很大； 采用波纹换热管使得壳程流体流动截面亦发生周期性的变化，所以可以 同时强化壳程传热。 总之，由于能量的规律性变化，造成冲刷良好，不易结垢，从而使换热系数 得到提高，同时还增大了换热面积， 因此可以大大强化传热。这正是波纹管用 作传热元件优于其它换热元件的关键所在。 壳程强化传热【3 7 。鹞l 目前，管壳式换热器壳程强化传热的途径主要有两种：一是改变管子外形或 6 郑州大学硕士学位论文 在管外加翅片，即通过管子形状或表面性质的改造来强化传热，以提高换热器效 率；二是改变壳程挡板或管支撑物的形式，以减少或消除壳程流动与传热的滞留 死区，使传热面积得到充分利用。下面将重点介绍壳程支撑结构的研究与发展。 传统的管壳式换热器采用单弓形折流板支承，壳程流体易产生流动死角，传 热面积无法被充分利用，因而壳程传热系数低、易结垢、流体阻力大。流体横向 流过管柬时还可能使管子产生诱导振动，破坏管子及其与管板连接的可靠性。为 了消除它的弊端，近2 0 年来出现了许多新型的壳程支承结构，如新型折流板式 支撑、杆式支撑、扁钢条支撑、空心环支撑、管子自支撑等。这些新型折流板支 承结构的共同特点是尽可能地改善壳程流体流动和传热死区，降低壳程流体流动 阻力，同时增强管束的抗振性。 ( 1 ) 新型折流板式支撑 多弓形折流板 多弓形折流板的特点是弓形缺口开孔面积较大，它可以减小折流板间距或由 于压力降的限制而减少错流。某些形式的多弓形折流板，可使流体呈接近于与管 子平行的方式流动，使压力降更低。 整圆形折流板 整圆形板上开不同形状的管孔，代替传统的弓形折流板，使流体呈平行于管 子的纵向流动，消除了流动死区，并且由于折流板处的流通面积较小，流体压力 升高，当流体通过管孔与管壁之间的小孔或环隙通道时，就形成贴壁射流作用。 射出的流体一般速度很高，直接冲刷管壁，一方面减薄管壁上液体边界层，减小 了热阻，另方厦阻止污垢附着管壁。因而有效强化了壳程传热。 根据开孔形状及位置不同，整圆形折流板分为大管孔板、小圆孔板、梅花孔 板、矩形孔板等，如图1 6 ( a ) ( d ) 所示。 癸黪 ( a ) 大管孔板( b ) 小圆孔板 郑州大学硕士学位论文 黛 ( c ) 梅花孔板 ( d ) 矩形孔板 图1 6 整圆形折流板 大管孔整圆形折流板上管孔直径大于换热管外径，既让管子穿过又有足够的 问隙让流体通过，流动死区少，压降低。早在1 9 4 0 年s h o r t 已公布了大量这种 结构的数据，当时在国外应用十分普遍，特别是在层流操作条件下。但由于大圆 孔不能对换热管提供有效的支撑，易造成换热管振动破坏，逐渐被人们所抛弃。 小圆孔整圆形折流板上管孔直径等于换热管外径，在管孔之间再开小圆孔， 壳程流体由此通过，流速可大大提高。这种结构对换热管支撑性好，但是管孔与 管子的间隙内更易积存杂质，引起管子结垢及腐蚀。 2 0 世纪9 0 年代初，西欧经过改进提出了异形孔孔板结构( 包括矩形孔和梅 花孔两种结构) ，使孔板式结构重新得到了发展。它不仅压降低、传热性能好， 而且管子可以得到充分的支撑，防振性能好，越来越受到人们的重视。 上述孔板的缺点是加工复杂，成本较高。 螺旋折流板 图1 7 螺旋折流板式 螺旋折流板是将折流板布置成与管束呈某个倾斜角度，使流体在壳程沿着螺 旋折流板呈螺旋状流动的一种改进型折流板支撵结构，如图1 7 所示。 郑州大学硕士学位论文 螺旋流动增强了流体湍动，减少了管板与壳体之间易结垢的死角，能显著地 防止结垢，从而提高换热效率；相同流量下的流动压降小；消除了弓形折流板后 面的卡门涡街，防止了流体诱导振动；螺旋通道内柱状流的速度梯度影响了边界 层的形成，使传热系数大大提高，对于低雷诺数下( r e 流动必须为不可压； 几何构造必须具有可平移的周期性； 耦合解只能指定压力跳跃，分离解则可以指定压力跳跃或者质量流量； 在流动入口和出口不允许有质量的增加，也不允许存在外部源项： 只能有出入口所包括的组分( 没有质量的净增加) ，不允许有反应流； 不允许离散相和多相流模型。 周期性热传导的特殊限制 必须使用分离解； 热边晃条件必须指定热流或者壁面温度常数，而且在特定的问题上这些 边界类型不能结合在起：对于常温算例，所有壁面温度必须是相同的， 在壁面流量中，不同的热流必须区分为不同的壁面； 有固体的区域不可以横跨周期性平面； 热动力学和流体的输运性质( 比热容，热传导系数，秸性系数，密度) 不能是温度的函数，因此不可以模拟化学反应流。然而输运性质可能会 以周期性的方式变化，这就允许模拟周期性湍流，在这种周期性湍流流 动中，输运性质( 有效热传导系数，有效粘性系数) 随着湍流流场变化。 3 1 _ 2 单元流道简化模型介绍 直径很大的纵流壳程换热器，布管区面积占壳体横截面积的绝大部分，壳程 流体的流动和传热主要在布管区进行，流体在布管区外面的流动和传热的特殊性 对整个截面的流动和传热的影响很小，可以忽略不计。在布管区，流动基本上沿 轴向流动，流体在径向上的速度分量相对较小。因此，我们可以用一个单元流道 来代表整个换热通道，这将大大减少计算机内存要求及缩短运算时间。 郑州大学硕士学位论文 本课题研究的换热器均属纵流壳程换热器，采用正方形布管，可以取相邻的 四根管子所包围的流体流动空间作为一个“单元流道”，壳程则被分隔成多个形 状相同、平行分布的“单元流道”，如图3 3 所示。 笤匡目佥 雅 园罗 7 图3 3 单元流道示意图 根据本课题中换热器的结构特点和流动特点，采用上述提出的周期性模型和 单元流道模型简化计算法，对波纹管换热器在三种不同支撑形式下壳程流体流动 与传热进行数值模拟。 3 2 几何模型参数的选择 本课题选用折流杆、扁钢条和空心环三种纵流壳程支撑结构与波纹管进行复 合，综合考虑波纹管与支撑结构的组合及其在工业中的实际应用情况，模拟时选 用梯形波纹管，如图3 _ 4 所示。 寸) 图3 _ 4 梯形波纹管 图中，l l 波峰段长度，m m ；l 2 波谷段长度，m m ： l 3 过渡段长度，m m ；d 1 波峰段外径，m m d 2 波谷段外径，m m ；6 壁厚，m m 经实验研究p 2 1 ，得出波纹管各项结构参数如下( 下标o p t 表示最优结构尺 郑卅i 火学硕士学位论文 志一o z 地，( 去j 州- o s 旦乩2 5 “8 ，f 堕1 扎4 d 2 l d z 。 根据此优化尺寸并考虑到管壳式换热器中常用的换热管尺寸，模拟时选用 d 1 = 2 5 m m ，d 2 = 1 9 m m ，l l = 7 m m ，l 2 = 7 m m ，l 3 = 3 m m ，6 = 1 5 m m 的波纹管。 与之进行对比的光管选用规格为西2 5 2 5 m m 的换热管。 折流杆式支撑选用6 m m 的圆钢杆，扁钢条支撑选用b 1 0 6 的扁钢条，空 心环支撑选用0 1 9 1 5 m m ，高度为2 0 m m 的短钢管。 由于选择的波纹管波距为2 0 i i l n l ，支撑间距取为6 0 m m ，1 0 0 m m ，1 6 0 m m ， 3 3 有限元模型的建立【7 蛐1 l 为了论文结果的一致性和可比性，三种组合结构的建模方法、边界条件和相 关参数设置均相同，具体介绍如下。 建模方法 对数值模拟而言，网格划分部分是最为关键的工作之一。根据本模型的几何 特征和流道内的流动特征，采用分块划分网格的方法，将模型分为多个部分，将 有支承区域分离出来使用非结构化网格并加密，以更好地反映流体在掠过支撑构 件表面时对边界层的影响，而在其它部分采用网格质量好、计算速度快、内存占 用量少的结构化网格。 边界条件设置 将网格导入f l u e n t 并检查节点数和网格质量后，在f l u e n t 中选用离散 求解器( s e g r e g a t c ds o l v e r ) 和标准k _ 模型，近壁面处理( n e 孙w a l lm a _ n e m ) 选项中选择增强型( e n h 锄c e dw m i1 k a t r n e n t ) 。 本课题中以空气作为工作介质，其相应物性参数，如密度、粘度等均按 f l u e n t 软件材料数据库中所提供的数据来定。介质的入口温度设置为3 0 0 k ； 传热面为换热管外表面，管壁温度设为恒定温度4 0 0 k ：操作条件为标准大气压： 壁面为标准无滑移壁面；周期性条件中设置单元流道内的流量：压力速度的耦合 郑州大学硕士学位论文 采用s i m p l e 算法，动量和能量离散采用二阶迎风格式( s e c o n do r d e r u p w i n d ) 。 单元流道内的流量根据壳程当量雷诺数计算得到，本课题仅研究低雷诺数下 壳程的流动和传热情况，壳程当量雷诺数r e 取为5 0 0 ，l o o o ，2 0 0 0 ，3 0 0 0 ，4 0 0 0 ， 5 0 0 0 ，6 0 0 0 。 收敛标准的确定 在f l u e n t 软件中是采用标准化残差的形式来判断是否收敛。对具体模型 来说，可通过试算不同的残差精度，然后检测若干个关键场量的变化来决定。通 常认为所检测的场量在满足精度要求下基本达到稳定，即随着迭代次数的增加， 计算值在误差允许范围内波动时的残差精度为最好的收敛标准。本课题模型中各 残差分别为：连续性残差l o 一、各分速度残差l o 3 、k 的残差1 0 、的残差1 0 4 ， 能量方程残差1 0 4 。 有限元模型的假设条件 根据f u j e n t 中周期性模型及其对热传导的特殊限制，模拟时做如下假设： 流体与固体壁面的物性均为定值； 流体为不可压缩、各向同性、连续性介质； 流体为牛顿流体且流动稳定； 沿流体流动的主流方向流体的导热忽略不计： 流体通过单元流道后无质量增量，流道内无其它源项； 换热器内流体与换热面之间的传热系数为常数，换热器构件与除流体外 的其它外界绝热，管壁很薄，通过管壁的热阻忽略不计； 所取单元流道内流体流动为周期性充分发展的，不受壳程进出口的影 响。 所取单元流道在径向上与相邻单元流道无相互交叉影响； 不考虑重力对流道内流体流动影响。 模型正确性验证 本课题研究的换热器均属于纵流壳程换热器，采用正方形布管，壳程几何结 构呈周期性变化，壳程流体的流动通道呈周期性变化且具有对称性，因此完全可 以采用周期性模型进行模拟。 光管与各种纵流式支撑组合时运用单元流道模型进行模拟的正确性已被验 郑州大学硕士学位论文 证 本文通过对由6 根波纹管组成的流动通道( 共2 个“单元流道”) 进行模 拟，验证了波纹管换热器采用单元流道模型模拟的正确性。 验证模型的支撑间距取为6 0 m m ，在此条件下，壳程流体的湍动程度比较大， 由此得到的结果可以充分说明单元流道模型的正确性。模拟时使用和单元流道模 型相同的周期性边界条件和相同的算法。 图3 5 波纹管一折流杆组合结构的单元流道验证模型 波纹管一折流杆组合结构的单元流道验证模型如图3 5 所示。图中，面1 、2 、 3 、4 、5 、6 设置为对称匿，面7 、8 、9 、l o 、1 1 、1 2 为换热管的换热表面，流 道的两个端面为周期性端面，流体沿x 轴正向流动。 采用分块网格划分方法，将折流杆区域分离出来使用加密网格，划分后的网 格如图3 6 所示。 圈3 6 单元流道验证模型网格划分囤 郑卅l 大学硕士学位论文 使用单元流道进行简化模拟时，通过流道对称面y = 0 的质量流量理论上应 该为零，即相邻流道之间没有流体交换；实际应用中，如果湍动程度较小，通过 此对称面的质量流量q 。不超过总的质量流量q 。的5 ，亦可将其作为对称面， 从而将壳程简化为分隔成多个形状相同、平行分布的“单元流道”，用一个单元 流道的流动状态来代表整个壳程的流动状态。 分别提取验证模型在不同r e 下对应的流入进口横截面( x 。0 ) 和流过上下 流道对称面( y 。0 ) 的质量流速q 。和q 。，对比结果如表3 1 所示。 表3 1质量流速q m 和q m 提取结果及对比 壳程当量雷诺数q m 。q mq m ，q m r e k g ，sk 曲 5 0 06 3 7 6 8 5 e - 0 60 0 0 0 5 5 6 1 2 51 1 4 6 6 5 8 0 5 3 1 0 0 01 3 8 3 3 e - 0 5o 0 0 1 1 2 7 5 4 91 2 2 6 8 1 9 8 1 4 2 0 0 03 4 0 5 5 6 b 0 5o 0 0 2 2 1 8 6 2 51 5 3 4 9 8 4 6 2 3 0 0 07 0 4 9 7 7 e 0 5o 0 0 3 2 7 9 5 1 i2 1 4 9 6 4 1 0 3 8 4 0 0 00 0 0 0 1 0 8 7 9 50 0 0 4 3 0 1 2 6 0 72 5 2 9 3 8 1 9 0 9 5 0 0 00 o o o l 9 0 4 9 1 o 0 0 5 3 2 2 5 1 3 9 3 5 7 8 9 6 4 6 3 2 6 0 0 00 0 0 0 2 7 0 1 0 60 0 0 6 3 4 1 8 14 2 5 9 1 3 5 3 5 2 由表中数据可以看出，在本课题研究范围内，通过面y = o 的质量流量均不 超过总的质量流量的5 ，因此，在本课题条件下，可以用单元流道模型对波纹 管在折流杆支撑下的壳程流场进行模拟。 用同样的方法对其余两种组合结构进行验证。结果表明，波纹管采用扁钢条 支撑和空心环支撑时都可以用单元流道模型来进行壳程的流场模拟。 模型计算精度验证 用不同的网格重复同样的计算，比较所得到的结果，对验证计算结果的可靠 性具有非常重要的意义。下面以波纹管折流杆支撑在l b = 1 6 0 m m ，r e = 5 0 0 0 时的模型为例，进行网格加密前后的结果对比分析。图3 7 图3 9 、表3 2 分别 为网格加密前后的速度、压力、温度分布云图及传热计算结果的对比。 ( 1 ) 速度分布云图对比 郑州大学硕士学位论文 ( a ) 网格加密前( b ) 网格加密后 图3 。7网格加密前后速度分布云图比较 ( 2 ) 压力分布云图对比 ( a ) 网格加密前 ( b ) 网格加密后 囤3 8 网格加密前后压力分布云图比较 ( 3 ) 温度分布云图对比 ( a ) 网格加密前 ( b ) 网格加密后 阋3 1 9 网格加密前后温度分布云图比较 郑卅i 大学硕士学位论文 ( 4 ) 传热计算结果比较 表3 2 网格加密前后传热计算结果比较 进口面平均温出口面平均温温度升高值压力梯度 度k度kkp 曲n 网格加密前计算结果 2 9 9 9 17 6 23 4 2 6 9 6 6 74 2 7 7 9 0 51 0 9 7 8 1 6 网格加密后计算结果 2 9 9 8 1 0 0 63 4 2 4 9 8 9 34 2 6 8 8 8 71 0 9 4 2 6 5 从速度、压力、温度的分布云图可以看出，虽然标尺稍有不同，结果形态的 分布几乎完全一样；对传热结果进行数值统计后得到的相对误差不超过0 4 4 ， 压力梯度的相对误差为o 3 2 ，所以由现有的网格密度完全能够满足现有的计算 精度要求。 3 4 本章小结 本章对论文模拟计算部分所采用的技术路线进行了介绍，主要叙述了几何模 型的建立、参数的选择以及有限元模型的建立，并对波纹管与纵流壳程支撑组合 结构采用单元流道模型模拟的正确性进行了验证，对模拟结果的正确性进行了验 证，说明所采用的技术路线是正确的并且具有较高的计算精度。 郑州大学硕士学位论文 4 数值模拟及结果分析 4 1 波纹管一折流秆组合 4 1 1 模型建立 波纹管一折流杆支撑组合结构的壳程周期性单元流道如图4 1 所示，阴影部 分表示单元流道的流通横截面，l b 为折流圈间距，在图中表示为两根折流杆轴线 之间的垂直距离，一个周期性单元流道长度取为2 l b ，折流杆中心位置和流道端 面中心位置均关于坐标原点对称； o 售；三啦辞黑乏二二= = ：= 书。二，= 二= l h 2 l b 2 i 止 图4 - 1 波纹管一折流杆支撑组合结构的壳程周期性单元流道 周期性单元流道几何模型如图4 。2 所示。图中，面1 、2 、3 、4 设置为对称 面，面5 、6 、7 、8 为换热管的换热表面，流道的两个端面为周期性端面，流体 沿x 轴正向先后经过两根垂直排布的折流杆。 图4 - 2 波纹管一折流杆支撑组合结构的壳程周期性单元流道几何模型 波纹管一折流杆组合结构周期性单元流道模型划分后的网格如图4 3 所示。 郑州大学硕士学位论文 图4 3 波纹管一折流杆组合结构周期性单元流道模型网格划分图 4 1 1 模拟结果分析 单个模型分析 取支撑问距l b 为1 6 0 m m ，单元流道内流体的当量雷诺数r 刚0 0 0 时的模型 进行分析。 ( 1 ) 流动分析 图4 4 、图4 5 分别为周期性单元模型截面z = 0 和y = o 的速度分布云图和压 力分布云图。 图4 4 截面z = o 和y = o 的速度分布云图 图4 - 5 截面z - = 0 和y = o 的压力分布云图 从图中可以直观的看出，由于波纹管截面形状的变化，流体沿流动方向的流 动是在反复改变速度及压力梯度下进行的，流道宽敞处流体速度低、静压增大， 流道狭窄处流体速度增加、静压减小，流体的湍动程度比较剧烈，破坏了流动边 界层的形成，流道中心流体维持较高的速度流动。 为更加清楚的看出流体在经过折流杆时流体流动的变化情况，考虑流体在折 郑州大学硕士学位论文 流杆间流动的重复性，现取流体沿x 轴方向在两个折流杆之间流道( 8 0 瑚x 2 4 0 m m ，进口截面坐标x = o ) 横截面上的速度分布云图，如图4 - 6 所示。 图4 6 沿x 方向不同截面上的速度分布云图 从图中可以看出，在x = 8 嘶m 处，由于折流杆的存在造成流通面积的突缩， 在折流杆两侧形成高速流体( 红色区域所示) ；从x = 8 3 n u n 到x = 1 6 0 m m ，一 方面由于折流杆表面的边界层脱离，在折流杆后方形成低压区，流道两侧的高压 区流体向低压区回流，另一方面由于流道形状的规律性变化，压力梯度反复变化。 在两个因素共同作用下，高速流体区域很快向流道中心发展；从x = 1 6 0 m m 到x = 2 3 7 m m ，受下一根折流杆的影响，流体又开始分流，中心区域流速逐渐增大， 在x = 2 4 0 n 朋处开始碰到下一根折流杆，开始新的一轮变化。如此周而复始， 使得整个壳程内的流动和传热都能得到强化。 ( 2 ) 传热分析 图4 7 和图4 8 为流体在经过一个几何周期段过程中的温度变化。 从图中可以看出，蹩个流道内的流体温度沿x 轴方向逐渐升高，靠近壁面 处流体温度较高，流道中心流体温度较低。 郑州大学硕士学位论文 图4 7 截面z = 0 和y = o 的温度分布云图图4 _ 8 沿x 方向不同截面的温度分布云图 但是由于流道和折流杆的作用，流体湍动剧烈，使流体很快即可充分混合， 从云图中看不出温度细节上的变化，图4 9 是流体沿x 方向的温度分布及温度增 加分布图。 图4 9 沿x 方向不同截面上的温度分布及温度增加分布图 从图中可以看出，波纹管换热器壳程内流体温度基本上沿直线增大，由于流 道面积的规律性变化，温度增加值也呈现出规律性的波动，在折流杆两侧的区域， 温度波动较大，增加值也较大。 多组模型对比分析 ( 1 ) 支撑间距一定，传热系数和压降随r e 变化如图4 - 1 0 ( 8 ) 、所示。从图 中可以看出，支撑间距一定，随着r e 的增大，传热系数增大，压力梯度增大， 且压力梯度增大的幅度远大于传热系数增大的幅度。 hna蚕c一o_8o巳一 郑卅大学硕士学位论文 一舶 董如 i 4 0 j 3 。 i 2 0 扣 o 01 0 0 0 m 5 o i l d d s m m a h ( a ) 传热系数随r e 变化图 一 图4 1 0 支撑闻距一定，传热系数和压降随r e 变化图 ( 2 ) 支撑间距一定，综合性能随r e 变化如图4 ，1 1 所示。 图4 1 1支撑间距一定，综合性能随r c 变化圈 从图中可以看出，随着r e 的增大，各种支撑间距条件下的综合性能都呈下 降趋势；在本课题研究的范围内，支撑间距为6 0 m m 时换热器综合性能( 传热系 数压力梯度) 最低，间距为1 6 0 m m 和2 0 0 n l n l 时换热器综合性能几乎相同，且 优于支撑间距为6 0 i i l l l l 和1 0 0 1 1 瑚时的综合性能。 与光管一折流杆组合传热系数对比 支撑间距一定，二种组合结构传热系数随r e 的变化如图4 1 2 ( a ) ( ( ”所示。 脚 邑 御 啪 。 一日jd)_8弓p5；l t11，1l，l_loj。jjj。jl 郑州大学硕士学位论文 ： 口 l ： 3 0 茹 罡2 0 | ，s ” 6 01 0 2 3 0 _ o5 0 f 袖v n o m $ n u m b e r ( a ) l b ；6 0 m m ( c ) l b _ 1 6 0 n u n 01 0 0 03 0 r _ y n o h bn 姗b 计 ( d ) l b = 2 0 0 m m 图4 1 2 折流杆分别与光管、波纹管组合，传热系数随r e 的变化图 从图中可以看出，各种支撑间距下，波纹管一折流杆组合的传热性能都远优 于光管一折流杆组合。 4 2 波纹管一扁钢条组合 4 2 1 模型建立 波纹管一扁钢条支撑组合结构的壳程周期性单元流道如图4 1 3 所示，阴影 部分表示单元流道的流通横截面，l b 为折流圈间距，在图中表示为两根折流杆轴 线之间的垂直距离，一个周期性单元流道长度取为2 l b ，折流杆中心位置和流道 端面中心位置均关于坐标原点对称。 ， 一 一。，笙一。，丝 节。麟 郑州大学硕士学位论文 o 图4 1 3 波纹管一扁钢条支撑组合结构的壳程周期性单元流道 周期性单元流道几何模型如图4 1 4 所示。图中，面1 、2 、3 、4 设置为对称 面，面5 、6 、7 、8 为换热管的换热表面，流道的两个端面为周期性端面，流体 沿x 轴正向先后经过两根垂直排布的扁钢条。 图4 1 4 波纹管一扁钢条组合结构周期性单元流道几何模型 波纹管一扁钢条组合结构周期性单元流道模型划分后的网格如图4 - 1 5 所示。 圈4 1 5 波纹管一扁钢条组台结构周期性单元流道模型网格划分图 4 2 2 模拟结果分析 单个模型分析 取支撑间距l b 为1 6 0 m m ，单元流道内流体的当量雷诺数r e = 4 0 0 0 时的模型 郑州大学硕士学位论文 进行分析。 f 1 ) 流动分析 图4 1 6 、图4 一1 7 分别为周期性单元模型