（热能工程专业论文）弓形折流板换热器壳程流体流动与传热的数值模拟.pdf

哈尔滨t 稃人学硕+ 学侮论文 葺暑i ；i ；i ；昌；i i 宣i i 置宣葺i 昌i i i i i i ；n m 一? 一 ；i ；i ；i i i 宣i 宣；i 皇i ；i i i 昌宣i 蜀宣 摘要 换热器广泛应用于化工、石油、电力、动力、能源、动力机械等众多工 业领域。换热器工作性能的好坏对于这些行业的生产效率、经济效益有着十 分重要的影响。由于换热器几何结构、内部流动和换热过程复杂，数值模拟 的方法已经成为研究换热器内部流动和传热特性的重要手段之一。本文以常 用的管壳式换热器( 弓形折流板换热器) 作为重点研究对象，在改变折流板 结构的情况下，对管壳式换热器壳程流动和换热进行了三维数值模拟。 本文通过对复杂物理模型的简化，采用计算流体力学软件f l u e n t 所提 供的标准k 一两方程模型作为计算模型，应用压力修正的s i m p l e 算法进行 求解。 换热器内部的热交换是一个管内外流体借助换热管壁相互作用的复杂过 程，为了避免采用定壁温假设的方法对管内传热的影响的忽视，在研究壳程 流动与换热的计算中，同时考虑了管程流体流动和换热对壳程的影响。在不 同管程工况下，使用管程流体与壳程流体耦合计算的方法进行模拟计算。并 且与仅考虑壳侧流体流动与传热的定壁温假设计算方法进行对比。发现两种 计算的结果存在较大差异。而且这种差异随着管程流体流量的增加会慢慢减 小。与传热学基础理论和实际情况吻合较好。虽然由于考虑了管内流动可能 使管内传热的计算结果与实际换热情况出现偏差，对以上两种计算方法的比 较产生影响，但是能够揭示这两种方法的差异和计算结果随流体工况的变化 情况。通过比较，本论文认为：同时考虑壳侧和管侧流动与传热的计算方法， 更有助于揭示换热器局部温度场变化的实际情况。因此本文后面几章的模拟 就算均采取关内外流体耦合计算的方法进行。 本文模拟研究的重点在折流板结构变化对换热器流动与换热影响。在相 同换热器外部尺寸条件下，通过折流板数量和高度的变化来进行分析。得到 了不同工况下，几种换热器结构的壳侧流体温度场、压力场。并且得出壳程 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 进出口温度、压降、以及管程流体进出口温差、换热系数随壳侧流量变化的 特性曲线。 在评价换热器性能的指标中，j i l p 指标是常用的一种方法，本文通过几 种工况下，不同折流板结构的j i l a p 值的对比，得出换热器性能指数随折流板 个数和折流板高度增加随之降低的结论，与已有的换热器理论和实验研究结 果相吻合。 关键词：换热器；湍流模型；流动与换热；数值模拟 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp r o c e s sm a c h i n e ，h e a te x c h a n g e r sa r ew i d e l yu s e di nc h e m i c a l ， p e t r o l e u m ，u t i l i t yp o w e r , p o w e rm a c h i n e sa n do t h e rp r o c e s si n d u s t r i e s t h e p e r f o r m a n c e so fh e a te x c h a n g e r sh a v eab i gi m p a c to nt h ep r o d u c i n ge f f i c i e n c ya n d e c o n o m y o ft h ed o m a i n n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tm e t h o d t os t u d yt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ri n s i d et h eh e a te x c h a n g e r sd u et ot h el a r g e d i m e n s i o na n dt h ec o m p l e x i t i e so fc o n f i g u r a t i o n ，f l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri ni t t h r e e d i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nf l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ft h es h e l l f l u i d f o rh e a te x c h a n g e r sw i t hs e g m e n t a lb a f f l e si sd o n ei nt h ep a p e r , i nt h ed i f f e r e n t b a f f l es t r u c t u r e s i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h es i m p l i f i c a t i o no fc o m p l e xp h y s i c a lm o d e l ，s t a n d a r d k 一t u r b u l e n c em o d e lb a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e f l u e n ta r eu s e d ，s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n ( s i m p l e ) i s a p p l i e dt oc a l c u l a t e t h eh e a tt r a n s f e ri nt h eh e a te x c h a n g e ri sac o m p l e xp r o c e s sw i t hm u t u a la c t i o n b e t w e e nt h ei n n e ra n do u t e rt u b ef l u i d st h r o u g ht u b e s i no r d e rt oa v o i dn e g l e c t i n g i m p a c to ft h ei n e rt u b eh e a tt r a n s f e rw h i l eu s i n gt h es a m e - w a l l t e m p e r a t u r es i m p l i f y i n g m e t h o d ，t h ef l o wa n dh e a te x c h a n g eo ft h et u b e f l u i da r ec o n s i d e r e dw h e n c a l c u l a t et h es h e l l - f l u i df l o wa n dh e a te x c h a n g e i nt h e d i f f e r e n tt u b e f l u i d w o r k i n gc o n d i t i o n s ( s p e c i f i e db yt h ei n l e tf l o wv e l o c i t y ) ，t h i sc a l c u l a t eu s et h e m e t h o dc o u p l i n gt h ef l o wa n dh e a t e x c h a n g eo ft h e t u b e - f l u i ds h e l l - f l u i d c o m p a r e dw i t ht h es a m e - w a l l t e m p e r a t u r em e t h o d ，t h ec a l c u l a t er e s u l to b v i o u s l y d i f f e r e d a n dt h ed i f f e r e n c e sd e c r e a s e sw h i l et h ei m p o r tv e l o c i t yo ft h et u b e - f l u i d i n c r e a s e d ，w h i c hc o i n c i d e sw i t hb o t hc l a s s i ch e a t - t r a n s f e rt h e o r y c o r r e s p o n d e d w i t ht h ec o n t r a s ta n dt h ea n a l y s i s ，t h ep r e v i o u sc a l c u l a t i o nm e t h o dc a nb e t t e r s t i m u l a t et h eh e a tt r a n s f e ro ft h e s h e l l f l u i d s o ，i nt h ef o r t hc h a p t e r , t h e 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 c a l c u l a t i o nw i l lu s et h es a m ec a l c u l a t em e t h o d n e i m p a c to ft h ed i f f e r e n tb a f f l ea r r a n g e m e n ta n ds i z eo nt h ef l o wa n dh e a t t r a n s f e ro ft h es h e l l - f l u i di st h em o s tc o n c e r n e di nt h i sp a p e r n ec a l c u l a t i o n g i v e ss o m ec l e a rc o n t o u ro ft h et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo ft h es h e l l f l u i d ，i nt h e d i f f e r e n tb a f f l en u m b e ra n ds i z e n er e l a t i o n s h i pc u r v e so fp r e s s u r ed r o pb e t w e e n t h ei n l e ta n do u t l e t ，t e m p e r a t u r ed r o pi nb o t ht h es h e l la n dt u b es i d ew a l lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h ei n l e tv e l o c i t ya sw h i l ea st h ed i f f e r e n tb a f f l en u m b e r a n ds i z ea r en u m e r i c a l l yo b t a i n e d t h ei n t e r p r e t a t i o n a lc r i t e r i a “h a e ”a r ec o m m o n l yu s e dw h e ni n t e r p r e t i n gt h e p e r f o r m a n c eo ft h eh e a te x c h a n g e r t h r o u g ht h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h e i n t e r p r e t a t i o n a lc r i t e r i a “h a p ”d e c r e a s e sw h i l et h ei n c r e a s i n go ft h eb a f f l e n u m b e ra n db a f f l eh e i g h t k e yw o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；t u r b u l e n c em o d e l s ； f l o wa n dh e a tt r a n s f e r ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 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( 签字) ：看镶蕊 日期： b 。) 年月1 乞日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文f 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等- 彳 2 时，性能与一阶迎风相同 乘方格式有绝对稳定用于无源对流扩散问题 。 q u i c k 格式 有 条件稳定i 见i - ：8 3 可减小假扩散误差，精度高 2 1 6 压力修正s i m p l e 算法 s i m p l e ( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n ) 算法称为解 压力耦合方程的半隐式法，1 9 7 2 年，由s v p a t a n k a r 和d b s p l a d i n g l 5 6 j 提出。 这种算法是一种主要用于求解不可压流场的数值方法，也可用于求解可压流 动。它的核心是采用“猜测修正”的过程。基本思想：对于给定的压力场( 它 可以是假定值或是上一次迭代计算所得到的结果) ，求解离散形式的动量方 程，得出速度场。 s i m p l e 算法自1 9 7 2 年问世以来在世界各国计算流体力学及计算传 热学界得到了广泛的应用，这种算法提出不久很快就成为计算不可压流 哈尔滨t 程火学硕十学何论文 场的主要方法，随后这一算法以及其后的各种改进方案成功的推广到可 压缩流场计算中，已成为一种可以计算任何流速的流动的数值方法。为 了克服压力缺少控制方程的问题，发展了压力修正的s i m l p l e 算法。因为压 力场是假定的或不精确的，这样得到的速度场一般不满足连续方程，因此， 必须对给定的压力场加以修正。修正的原则是：与修正后的压力场相对应的 速度场能满足这一迭代层次上的连续方程离散形式。据此原则，我们把由动 量方程的离散形式所规定的压力与速度的关系代入连续方程的离散型式，从 而得到压力修正方程，有压力修正方程得到压力修正值。接着，根据修正后 的压力场，求得新的速度场。然后检查速度场是否收敛。若不收敛，用修正 后的压力值作为给定的压力场，开始下一层次的计算。直至收敛为止。其具 体步骤如下： 1 、假定一个速度分布( h o ，y 0w o ) ( 是否需要假定o 视情况而定) ，用以 计算动量离散方程的系数a 及常数项b ； 2 、假定一个压力场p ； 3 、利用p ，依次求解动量方程的离散方程，得到与p 相对应的速度场 + ，v ，w ) ； a e “；二罗口。“二+ 6 + 佛一菇地 a n ，：= 口曲屹+ 6 + 一贰m ( 2 3 ) a t w t + = 罗口庙吆+ 6 + ( 露一p ；m 4 、根据似+ ，w ) ，求解由连续性方程导出的压力修正方程，得p ； ap p t p a w p 0 + 口e p 2 + a s p ，s + 口n p f n + 口b p ；+ 口t p ；+ b a 矽= p ，d 。a y a z ，a 一p , d p a y a z 口s 。以d ，a x a z ，a n2 以d 一缸z ( 2 4 ) a b = p b d 6 a x a y ，a r = p , d f a x a y 口p 兰露+ 口e + a s + 口件口占+ 口r b ：) w b 上b z + i b + ik & + 吃一lk 每 哈尔滨一r j 华人学硕十学位论文 5 、利用压力的修正量p 改进压力和速度，得改进后唧和 ， ，w ) ； p p + p 7 ( 2 - 5 ) 月 “。t 比：+ “：一u ：+ 二( p ；一p ：) = “：+ d 。( p ；一p ：) “p 月 ，。= v ：+ v ：一v ：+ 二q ；一p 二) 一1 ，：+ d 。( p ；一p 品) ( 2 - 6 ) “ w f 。蟛+ 。一+ 兰l ( p 二一p ；) ：吖+ d ，；一罗；) 6 、用改进后的速度似， ，们求解那些通过源项、物性等与速度场耦合的 其它物理量，如果不影响流场，应在速度场收敛以后再进行求解； 7 、利用改进后的 ，w ) ( 以及妒) 重新计算动量离散方程的系数，把新 的p p + p 作为新的p 重复步骤2 ，进行下一层次迭代，直到获得收敛的 解。 在s i m l p l e 算法的基础上，又发展t s i m p l e c l 5 7 1 、s i m p l e r 5 8 j 和p i s o 5 9 1 等算法。 2 2 湍流的数值模拟方法及湍流模型 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动，其每一个物理量都在作随机的 变动。三维非稳态的n s 方程可以用来描述湍流，其中各物理量是三维空间 坐标和时问的函数。从工程的角度看，湍流可看成是各种不同尺度涡旋( e d d y ) 的叠加。关于湍流运动与换热的计算是目前计算流体力学与计算传热学中困 难最多的部分，因而是研究最活跃的领域之一。 一般认为，非稳态的连续方程和n a v i e r s t o k e s 方程对于湍流的瞬时运动 仍然是适用鲥掘删。目前的湍流数值模拟方法主要有直接模拟、大涡模拟和 r e y n o l d s 时均方程法模拟，其中后面两种称为非直接模拟。在对湍流流动的 数值求解过程中，如果直接求解控制方程，需要采用对计算机性能要求极高 的直接模拟方法，但目前还不可能在实际工程中应用该方法i 矧。工程中广泛 采用的方法是对瞬态的控制方程做时间平均处理，将湍流流动视为是在一个 2 4 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 时均流动上叠加了一个随机的脉动量【6 l l ，同时补充反映湍流特性的其他方 程，如湍动能方程和湍流耗散率方程( 七一方程) 等。 2 2 1 直接数值模拟 直接数值模拟方法就是指在湍流尺度的网格尺寸内直接求解瞬时 n a v i e r - s t o k e s 方程，无需对湍流流动进行任何简化或近似，理论上可以得到 相对准确的计算结果。由于必须采用很小的空间和时间步长，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，故对计算机的性能要求非常高， 目前该方法还无法用于真正意义上的工程计算。 2 2 2 大涡模拟 大涡模拟的基本思想是，用瞬时n a v i e r s o t e k s 方程直接模拟湍流中的大 尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小尺度涡对大尺度涡的影响通过近似的模 型来考虑，可以直接模拟湍流发展过程中的一些细节，但计算工作量仍然很 大。 2 2 3 r e y n o l d s 时均方程法 从工程应用的角度看，考察湍流流动，重要的是湍流所引起的平均流场 的变化，是整体的效果。r e y n o l d s 时均方程法依据此观点，将控制方程对时 间作平均，不直接求解瞬时n a v i e r s t o k e s 方程本身，而是设法求解时均化的 n a v l e r s t o k e s 方程，并将瞬态的脉动量通过引入“湍流模型”在时均化的方程 中体现出来，用以求解湍流问题。实际上，湍流脉动量附加项的确定是用 r e y n o l d s 时均方程法计算湍流的核心内容。所谓湍流模型，就是将湍流的脉 动量附加项与时均值联系起来的一些特定关系式【矧。r e y n o l d s 时均方程法是 目前使用最为广泛的湍流数值模拟方法【6 2 l 。r e y n o l d s 时均方程法又可区分为 r e y n o l d s f 立力方程法和湍流粘性系数法，而后者更为常见。在湍流粘性系数 法中，将湍流应力表示为湍流粘性系数的函数，整个计算的关键在于确定粘 哈尔滨丁程人学硕十学侍论文 性系数。湍流模型，在这里特指为将湍流粘性系数与湍流时均参数联系起来 的关系式【矧。根据确定湍流粘性系数的微分方程的数目，湍流模型又包括零 方程模型、一方程模型和两方程模型。 1 、零方程模型 零方程模型，是指不使用微分方程，而是用代数关系式，将湍流粘性系 数与时均值联系起来的模型。由于其只适用于简单流动，不能用于模拟带有 分离和回流的复杂流动，故零方程模型在实际工程中很少使用。 2 、一方程模型 一方程模型的着眼点在于将湍流粘性系数与湍流本身的特性量建立联 系。具体做法是，在湍流的时均化控制方程组中，再建立一个湍动能k 的输运 方程，而湍流粘性系数表示为k 的函数，从而可确定湍流粘性系数。 一方程模型考虑了湍流流动特性本身对湍流粘性系数的影响，因而比零 方程模型更为合理。但是，一方程模型中的个别重要参数不易确定，故应用 也是有限的。 2 2 4 标准k 一两方程模型 k 一两方程模型是由l a u n d e 拜口s p a l d i n g 【6 3 1 于1 9 7 2 年提出。在关于湍流动 能k 的方程的基础上，再引入一个关于湍流动能耗散率( t u r b u l e n td i s s i p a t i o n r a t e ) 的方程，便形成了k 一两方程模型，称为标准的k 一模型( s t a n d a r d k 一m o d e l ) 。此外，还有各种改进的k 一模型，比较著名的是r n g k 一模 型和r e a l i z a b l e k 一模型。 湍流中单位质量流体湍流动能的耗散率f 为各向同性的小尺度涡的机械 能转化为热能的速率，定义为式( 2 7 ) ： 占j y 【要 普卜芳 誓 要 c 2 忉 由量纲分析可知式( 2 s ) - 丝竺 ( 2 8 ) p 因此肛可表示成k 和的函数，见式( 2 9 ) ： 段一肛。竺 ( 2 9 ) 式中：c 。经验常数。 在标准k 一模型中，k 和f 是两个基本的未知量，与之对应的约束方程 为式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 1 4 0 l ： 掣+ 掣。刹肛+ 等斟g 吩舻邝加， 掣+ 掣5 铷+ 芑矧也扣m ，p 缸 ( 2 1 1 ) 式中：c l ，、q 。、g ，- 经验常数； k 压缩湍流中脉动扩张的贡献； 吼、仉与湍流能k 和耗散率f 对应的p m d t l 数； 伉由于平均速度梯度引起的湍流动能七的产生项； 皖由于浮力引起的湍流动能七的产生项； s k 、s 。_ 项。 2 3f l u e n t 介绍 f l u e n t 是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件。它是继 p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件。f l u e n t 是目前功能最全面、适用性最广、国内使用最广泛的c f d 软件之一。 f l u e n t 提供了非常灵活的网格特性，让用户可以使用非结构网格，包 括三角形、四边形、四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的 流动，甚至可以用混合型非结构网格。它允许用户根据解的具体情况对网格 进行修改( 粗化细化) 。f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可读入 哈尔滨。i ：稃大学硕十学何论文 多种c a d 软件的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可用于 二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成多种参考系下流场模拟、定 常与非定常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热 混合分析、化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分 析、多孔介质分析等。它的湍流模型包括k e 模型、r e y n o l d s 应力模型、l e s 模型、标准壁面函数、双层近壁模型等。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件，如流动入口及出口边界条件、壁 面边界条件等，可采用多种局部的笛卡儿和圆柱坐标系的分量输入，所有边 界条件均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。f l u e n t 提供的 用户自定义子程序功能，可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程 或组分输运方程中的体积源项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、 添加新的标量方程和多孔介质模型等。 f l u e n t 是用c 语言编写的，可实现动态内存分配及高效数据结构，具有 很大的灵活性与很强的处理能力。此外，f l u e n t 使用c l i e n t s e r v e r 结构，它 允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离的运行程序。f l u e n t 可在w i n d o w s ，2 0 0 呱p 、l i n u x u n i x 操作系统下运行，支持并行处理。 在f l u e n t 中，解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成。用 户界面是通过s c h e m e 语言写的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定 义及优化界面。用户还可使用基于c 语言的用户自定义函数功能对f l u e n t 进行扩展1 4 4 删。 2 4 本章小结 本章对计算流体力学( c f d ) 技术进行了简单介绍。阐述了c f d 的适用 范围、优缺点，同时对主要的数值方法进行了介绍。论述了数值计算的基本 理论，对常用的数值方法有限差分法、有限元法等的基本思想进行了介绍。 重点论述了有限体积法的基本思想、常用的方程离散格式、离散方程的压力 修正s i m p l e 算法，湍流基本理论。本章所选的计算模型对标准k 一两方程 2 8 哈尔滨t 稃大学硕十学侍论文 湍流模型进行了详细介绍。 哈尔滨- ：- 稃大学硕+ 学何论文 第3 章定壁温假设对弓形折流板换热器换热模拟 结果的影响 3 1 数值计算的基本过程 通常情况下，进行数值计算模拟一般包括三个过程，前处理、计算求解 和后处理。在此三项中，前处理和计算求解两个过程对计算结果的正确与否 起着决定性的作用，也是整个数值计算工作的重点和基础。后处理是对计算 结果的分析、量化、和直观化。能够使计算结果更清楚的表现给研究人员。 3 1 1 前处理 前处理主要包括建模和网格划分两方面的工作。 科学研究往往是对复杂的自然现象或工程现象建立简化的数学模型或几 何模型，使其一定程度上体现所要研究的物理现象或者说某方面的物理特征， 同时又对研究时不关心的方面简化，以利于计算求解。然后利用相应的。常 用的建模软件也很多，如c a d 、p r o e n g i n e e r 、s o l i d e d g e s 等都可以实现， f l u e n t 软件自带的g a m b i t 建模软件也是不错的选择，它同时也能导入 p r o e 、u g 、c a t i a 、s o l i d w o r k s 、a n s y s 、p a t r a n 等大多数 c a d c a e 软件所建立的几何和网格。 g a m b i t 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学 ( c f d ) 模型和其它科学应用而设计的一个软件包。g a m b i t 通过它的 用户界面( g u i ) 来接受用户的输入。g a m b i tg u i 简单而又直接的做 出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很 多的模型应用已是足够了本文所做数值模拟，均使用g a m b i t 进行模型 建立和网格划分。 网格划分也是前处理中很重要的一个步骤，网格质量和数量都对计算收 敛的速度、计算结果产生直接的影响。不理想的网格划分可能大大增加收敛 哈尔滨。i ：群大学硕十学何论文 时间，甚至影响收敛的可能性。低质量的网格还可能使计算精度降低，甚至 得到是真的计算结果，使整个工作功亏一篑。所以这一过程必须得到足够重 视。 g a m b i t 具有强大的网格划分功能可以生成结构化网格和非结构化网栋 从严格意义上讲，结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同 的毗邻单元。它可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集 中等方面的计算。它的主要优点是： ( 1 ) 网格生成的速度快； ( 2 ) 网格生成的质量好； ( 3 ) 数据结构简单。 对曲面或空间的拟合大多数采用参数化或样条插值的方法得到，区域光 滑，与实际的模型更容易接近。 它的最典型的缺点是适用的范围比较窄，只适用于形状规则的图形。尤 其随着近几年的计算机和数值方法的快速发展，人们对求解区域的几何形状 的复杂性的要求越来越高，在这种情况下，结构化网格生成技术就显得力不 从心了。 同结构化网格的定义相对应，非结构化网格是指网格区域内的内部点不 具有相同的毗邻单元。即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不 同。从定义上可以看出，结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分，即 非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分。 如果个几何造型中既有结构化网梅也有非结构化网格，分块完成的， 分别生成网格后，也可以直接就调入f l u e n t 中计算。 结构化网格可以分作为单块网格( s i n g l eb l o c kg r i d ) 和多块网格 ( m u l t i b l o c k 鲥d ) 。 多块网格可以分为多块拼接网格( m u l t i g r i dp a t c h e dg r i d ) 和嵌套网格两 个大类，块与块之间如果有公共的交界面，即拼接在一起，称作多块拼接网 格；如果块与块之间相互嵌套在一起，则称作嵌套网格。 3 1 哈尔滨丁程大学硕七学位论文 多块网格的优点，一是相应的流场求解算法比较成熟，效率高；二是特 别适用于粘流计算；三是分块求解策略可以处理复杂的几何外形；四是降低 了对内存的要求；五是方便区域分裂并行计算过程的实施，适应采用并行计 算机的流动模拟六是在不同的块中可以采用不同的求解方程，以提高效率。 多块结构化网格虽然比较美观，在某些情况下也可以降低计算误差，提 高精度，但是划分网格的工作量大，特别是对具体复杂几何形状的，要想生 成比较高质量的结构化网格( 四边形、六面体) 则需要把计算域划分成很多 块，有时甚至是成百上千块，工作量巨大，而且在流场比较复杂的时候，流 动方向不一定与网格( 长、宽方向) 方向一致的时候，计算精度也不一定很 高，也具有很高的数值为扩散。在这种情况下，非结构化网格( 三角形或四 面体等) 就不失为一个很好的选择，非结构化网格生成相对简单，而且在采 用二阶迎风格式的情况下也具有较高的精度，还具有比较好的可调性和可控 性( 比较方便疏密控制) 。 本文所研究的模型为弓形折流板换热器。由于其结构复杂，且外型尺寸 与内部管间距的尺寸相差悬殊，如果整体划分网格，只能选择非结构化网格， 这样会造成网格数量非常庞大，仅壳程网格即可达到3 0 0 万左右，再加上管 程和管壁的网格会更加细密，总计将达到1 0 0 0 万左右，在本人现有计算机硬 件条件下是无法完成计算的。所以在划分网格的过程中选择了分块划分。将 整个换热器按照管壳程进出口以及折流板的位置划分成若干区域，区域( 体) 之间采取c o n n e c t 选项。在两流程进出口位置迫于圆形口部与圆柱侧面接合 的不规则形状的原因采用非结构化网格，其他区域均采用结构化网格，从而 大大降低了网格数量。最终将网格数基本控制在1 5 0 万以下，而且网格质量 也有所提高，具体网格划分方法和形状将在下文中描述。 3 1 2 计算求解 计算求解的过程主要是：导入网格模型检查网格( 模型是否存在问题) 修改网格光顺网格与交换单元面选择求解器及计算模式和运行环境；研究 3 2 哈尔滨。r 稃大学硕十学位论文 对象计算模型的选取；设置材料特性，边界条件：调整用于控制求解的相关参 数，进行初始化，开始求解显示求解结果并保存。 计算过程中收敛的稳定性，计算的快速性，结果的准确性都是计算求解 过程中需要综合考虑的。在网格质量一定的前提下，采用二阶迎风格式得到 的结果比采用一阶迎风格式得到的结果精度更高，对于存在有分离现象这类 复杂流场的问题中体现的更明显。但二阶迎风格式会导致计算量的急剧增加， 同时可能造成计算的不稳定性，导致计算发散。复杂的计算模型并不一定是 最合适的选择，如计算可以采用分离变量法或耦合求解，由于分离变量法可 能导致数据传递过程中截断误差增大，因而其计算过程一般要求采用隐式 ( i m p l i c i t ) 格式，以提高计算精度和稳定性。对于耦合性较强的多相场求解， 可以先采用分离变量法得到初步结果，在此基础上再进行耦合求解，可以有 效提高计算效率。求解过程中选用适当的欠松弛因子( u n d e r r e l a x a t i o nf a c t o r ) 也可以有效提高计算效率，如果残差降低趋势过慢可以适当降低欠松弛因子 提高收敛速度。改变欠松弛因子仅影响计算的收敛速度和稳定性，并不会对 最终计算结果产生影响合理选择所研究问题的流动模型，对计算结果的准确 性有重要影响，相关内容可以参看第二章所述。 3 1 3 后处理 后处理过程用于将计算的最终结果以曲线等方式表达出来，以方便比较 不同结构和不同条件下各种参数的变化规律。利用图像显示不同状态下各种 参数分布变化规律，可以加深对所研究问题的感性认识，对结果的微观信息 进行研究有助于人们对所研究问题的深层认识。本文的后处理采用t e c p l o t 软 件进行。 3 2 定壁温假设对弓形折流板换热器换热模拟结果的影响 本章模拟计算的目的是在不同管程流量下将定壁温假设与同时考虑管内 流动与换热两种方法进行比较，以找到两种模拟计算方法的差别，讨论定壁 3 3 哈尔滨r 稗大学硕十学位论文 温假设的适用情况。 本论文进行模拟的过程对模型以及运行工况做如下假设： ( 1 ) 流体与固体壁面的物性参数均为定值，即密度、粘度、比热容等不 随温度、压力和时间而变化； ( 2 ) 沿流体主流方向，流体热量传递主要以对流换热为主： ( 3 ) 不计热损失对热力过程的影响，不计重力对流体流动的影响。 ( 4 ) 流道的壁面为封闭面，即对热量和介质都不具有渗透性，忽略换热 器壳体热流损失，以及折流板与壳壁以及换热管之间的间隙，认为紧密连接。 根据计算所要达到的目的，采取以下计算步骤： ( 1 ) 在不同的管程流量条件下，首先按管内外耦合计算得到模拟的温度 场。 ( 2 ) 然后用前面计算得到的管内进出口温度平均值作为定壁温假设的换 热管外壁面温度，再进行计算，得出壳程温度场。 ( 3 ) 对两种情况下的温度场模拟结果进行比较，提出定壁温假设适用情 况的意见。 3 2 1 模型描述、结构参数与网格划分 ( 1 ) 本章采用的换热器模型是传统的单弓形折流板换热器，壳内设置5 个 折流板，均匀放置，管程采取单程设置。模型示意图如下图3 1 所示。 8 7j 1 管释流体进口2 壳程流体出口3 壳程流体进口 禾管程流体出口s 固定管板6 _ 弓形折流板 7 后端管箱8 前端管箱9 壳体 图3 1 所选换热器模型示意图( 5 块折流板结构) 3 4 堕! ：鎏! ：望全兰鎏：堡兰圣 用f l u e n t 自带i 勺g a m b i t 进行三维图的绘制。构建的模型用t c c p l o t 软件处 珲后的效果罔如下： 幽3 2 t c o i 提取的g 珊b j l 模型图( 5 块折流板结构) ( 2 ) 主要结构尺寸参数详见下面表3 1 所示 表3 1 模型结构尺寸表单位：m m 类别尺寸 换热器总长度 1 3 4 0 壳体直径， 2 0 6 壳程进出口外接管壁与换热器固定管板距离 6 0 壳程进出口外接管长 6 0 壳程进出口外接管直径 8 0 管程进出口外接管壁与换热器前后端管箱端头距离 5 0 管程进出口外接管蚝 6 0 管程进出口外接管直径 5 0 模型折流扳数量4 、5 、6 、7 、8 模型折流扳高度1 2 5 、1 4 7 、1 6 9 换热管排列方式止方形排列 哈尔滨t 稗大学硕+ 学伊论文 备注：本章所选模型的折流板高度为1 4 7 m m ；折流板数量为5 个。表中所 列其他几种结构为第四章研究折流板结构改变对换热器影响时的模型。 ( 3 ) 网格划分，由于本课题研究的对象弓形板换热器结构复杂，固定管 板和弓形折流板将换热器分成了若干区域，特别是在与四个进出口接管联通 的区域存在曲面的连接，不能实现结构化网格。如果全部采用非结构化网格 在尽量提高网格质量的前提下就必须将网格尺寸设的足够小，这样无形中就 增加了网格数量，不利于目前计算条件下的计算，所以根据弓形折流板换热 器的特殊结构将其划分多个分区，管内、管壁以及壳程区域和前后端管箱的 大部分区域均采用结构化网格，仅在上述四个与外接管连接的分区采用非结 构画网格，非结构化网格区域和结构化网格区域连接处依靠g a m b i t 自行构建 楔形网格，这样基本达到了既减小网格数量又符合模型特征的目的。具体网 格情况如图3 3 所示。 壳程、管壁、管程网格划分显示： 图3 3 壳程横截面网格图 图3 4 管壁与管内网格图 3 6 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 3 2 2 模型求解设置 求解的条件采用s e g r e g a t e d ( 非耦合求解法) 、i m p l i c i t ( 隐式算法) 、 3 d ( - - 维空间) 、s t e a d y ( 稳态) 、a b s o l u t e ( 绝对速度) ；控制方程的离散 采用一阶迎风格式；速度与压力的耦合采用s i m p l e 算法。 入口边界条件设置为速度入口，假设入口来流的速度均匀分布，忽略重 力场的影响；出口边界条件设置为压力出口；管壁物性以f l u e n t 自带的铜 的参数为准。 模型选取方面，设置标准k 一占湍流模型，近壁面区域采用标准避免函数 法【“，6 5 1 处理；湍流粘性系数和其他系数的取值，均采用默认值；回流条件的 设置采用湍流强度和水力直径控制。 湍流强度定义为相对于平均速度髓。增的脉动速度u 的比值，采用经验公 式3 1 【删计算： ，* 旦皇o 1 6 ( r e ) 叫8 0-1)u m , g 式中d 所指的水力直径表示进出口外接管内径。 3 2 3 计算工况 本论文研究所采用的工况是水水换热工况，壳程为热水，管程为冷水， 即模拟管程冷水冷却壳程热水的情况。管程冷流体温度初始条件设为2 8 8 k ( 1 5 ) ，壳程热流体温度初始条件设为3 3 0 k ( 5 7 。c ) 。具体流量等工况参 数参看附表八1 。本章的计算中，壳程水进口流速设为0 4 m s ，管程水进口流 速从0 4m s 逐渐增n n l m s 。 3 2 4 计算结果分析 由于本章主要对定壁温和两流程耦合两种处理方式对换热情况的影响进 行对比，故主要从温度场和换热系数两个方面进行对比分析，对于管程和壳 程的流场特点只做简要展示。为了叙述方便，下文中将管内外耦合处理方法 3 7 哈尔滨工程大学硬士学位论文 记作方法a ，定壁温处理方法记作方法b 。先用方法a 计算得出冷热水以及换 热管温度场，对壁温和管程温度分布进行分析，得到管程进出口的温度平均 值，用计算得到的平均温度作为定壁温假设的管外壁温，进行壳程的流动和 传热模拟。由于计算过程中采用7 种管程进口流速进行计算这里只对管程进 口流速为 m s 的计算结果对比显示。 方法a 计算结果显示： t e r n l ：】e r a b a r e ；四：3 0 3 2 8 3 2 7 3 2 6 豁 一多 图3 5 壳程温度云图 图36v ：o o l l 截面温度云图 一 一 舶锄嚣|趼l罟l窘强蟠诒锄季|暑： w 。置_i ：i j 鎏士耋銮兰譬：兰兰三 p r e s s u r e 图3 7 壳程压力云图 图38y = 0 0 1 1 截面速度矢量图 两流程耦合计算得到的管程温度场情况如下： r e n 0 盯d 1 j e 一 7 图3 9 量程温度云图 季毒；黝枷藿鲫l暑瑚啪伽o印m啪姗 撕睾s研|8捞批睾邑抛捌卸抛 - 叠 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t e m 删o j l e i i ；。9 8 2 9 7 2 2 弱 2 9 4 2 2 蛇 醮 图3 1 0 捌截面管程温度场云图 从上图可以很清楚