FLUENT算例 (6).doc

管壳式换热器传热数值模拟摘要：为了研究管壳式换热器壳程流体湍流流动与换热的工作机理，文中利用FLUENT软件，在壳程流体速度设定的情况下对管壳式换热器壳程湍流流动与换热进行了三维模拟，得到了壳程流体流速下的温度场、速度场分布图等，根据模拟得到的结果对管壳式换热器壳程流体湍流流动与强化传热进行了探讨。关键词：管壳式换热器；换热管；三维数值模拟1 引言数值模拟技术已经广泛地应用在换热设备研究开发和设计的各个环节。在近些年的换热器研究和开发中，CFD这种模拟方法越来越多的用来模拟换热设备内部工作介质的流动状态，即流场的模拟，通过模拟，人们对换热器内部流场微观特征的认识有了很大的提高，这极大地促进了换热器技术的研究和新型换热设备的开发。管壳式换热器的性能是由管程和壳程内流体流动及相互耦合作用决定的1，管程内流体的流动与传热可以通过准则关系式进行计算，而壳程中流体的流动与传热特性则要复杂得多，且壳程流体的流动分布状态对换热器的总体性内有重要影响。而对管壳式换热器的数值模拟主要针对于壳程。2 模型与参数本模型为单弓形折流板换热器，其中所用到的参数如下表所示：换热器结构几何尺寸及计算工况换热器结构几何尺寸及计算工况长度1632mm壳程流体空气壳体mm入口温度25换热管252.5mm密度1.067kg/m3换热管数N=40动力粘度1.83排列方式正三角排列热传导率0.029w/(mK)管间距32mm比定压热容1.008KJ/（kg K）折流板厚度6mm管程流体饱和水蒸汽折流板厚度400mm管程温度105换热管不锈钢管壳程进口平均速度1.028m/s其具体模型如下图：图2-1 管壳式换热器模型图3流场与传热数值模拟方案3.1 方案目标通过计算机数值模拟和图像显示对管壳式换热器中包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行分析2，把原来在时间和空间上的物理量的场用有限个离散点上的变量值的集合来代替，构造这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解方程组获得场变量的近似值。通过数值模拟，可以得到复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度等）的分布，以及这些物理量随时间的变化的情况。3.2 计算方案在Gambit中建立管壳式换热器的三维模型并划分网格，输出网格条件，然后导入到Fluent中，在其中进行一系列的检查网格，设置边界条件和收敛条件，最后进行迭代运行，待收敛后，从软件中调出换热器随时间各个物理属性随时间的变化。3.3 模型区域模型为单弓形折流板换热器，由于此换热器为对称结构，所以在操作中只需要取换热器的一半建立模型，进行模拟。换热器进行正三角形布管。3.4 边界条件和收敛条件因湍流效应对流动与传热有一定的影响，故采用方程模型。Pressure Based隐式求解，保证收敛的稳定性3；压力和速度解耦采用SIMPLE算法；动量、能量以及湍流参量的求解采用二阶逆风格式；计算流体采用速度入口条件给定流体流速、温度及相应的湍流条件；出口采用自由出口边界条件；壳体壁面采用不可渗透无滑移绝热边界，并给定换热器边界温度；稳态不可压缩求解。当迭代达到一定次数时会自动收敛。4 方案可靠性分析数值模拟具有费用低、速度快、重复性好、能模拟较复杂或理想的工况下的流动现象和流动特性，同时可以观察不同炒作参数对求解问题的影响，获得所有相关变量的详细信息以及潜在的物理过程等。因此以数值模拟为主，以实验验证为辅，把理论研究、数值模拟、实验测量有机而协调地结合起来以实现换热器的研究和开发4。该方式可大大缩短换热器的研究开发周期，降低费用。5 模拟结果显示与分析图5-1 迭代示意图图5-2温度场分布图图5-3压力场分布图图5-4速度场分布图图5-5速度矢量分布图图5-6放大后者流板附近矢量分布图5-7入口处矢量分布图流体经过折流板的圆缺部分后掠过管束，并在折流板的作用下载壳程内反复扰流，其壳程流体的流动状态如图5-25-5所示。从图5-6可以看出，流体在折流板前的区域内横向冲刷管束，呈错流传热，在较低的Re数下便能达到湍流状态，85%左右的热传递在此区域内完成；在折流板后方是涡流区，流体在此区域内相对停滞，小的漩涡再循环会使流体温度很快与管子的表面温度趋于平衡，而由于流体相对静止，使其热混合的程度极小，热量在此聚集而无法被及时传到下游，局部换热效果很差。由图5-2所示的换热器的温度分布图也可以看到，折流板后方区域温度较高。由图5-7可以看出，流体在进口处横向冲刷热管，由于管束在装配过程中，为了便于装配，折流板的管孔要大于换热管外景，管子固定不紧在流体的横向冲击下，使换热器容易产生流体诱导震动5。6 结果分析从模拟结果来看其真实情况与实验理论结果比较相差不大。7 问题讨论在模拟的过程中在建立模型是如果选择的面不当，或者是划分网格布成功都会影响最终的结果，在加载边界条件时，必须在Gambit界面中设置好边界的基本属性，才能在边界条件设置时更加正确的加载边界条件。而且个人电脑的配置问题也会影响到你的模拟正确精度。8 结论通过对管壳式换热器的壳程流体湍流流动和换热的三维数值模拟，得到了壳程流体的温度分布，速度分布，压力分布图及其矢量分布，以及折流挡板附近的矢量分布和入口处的矢量分布。由模拟结果可以看出流体在折流板前的区域内呈错流传热，局部换热效果差，者流板后方区域温度较高。此区域的纯在使换热器的换热面积无法充分利用，能力未能充分发挥。而进口处的流体横向冲刷换热管，使换热器容易产生流体诱导震动，导致折流板管控处的管子磨穿，使用寿命缩短。参考文献：1 周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实力分析M.北京:中国水利水电出版社,2010.5.2 韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实力与应用M.北京:北京理工大学出版社，2004.3 古新. 管壳式换热器数值模拟与斜向流换热器研究 D. 郑州: 郑州