基于FLUENT的换热设备中并联管组均流模型设计

1 5 0 机 械设 计 与 制造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 5期 2 0 1 5年 5月 基于 F L U E N T的换热设备 中并联管组均流模型设计 杨程 牛永江 罗海玉 李奇军 天水师范学院 机电与汽车工程学院 甘肃 天水7 4 1 0 0 0 摘要 基于流体动力学基本原理和 F L U E N T软件 以并联管组的支管直径为设计参数 利用敏感性分析法确定敏感参 数 通过多元线性拟舍得出流量分布不均匀系 数与敏感参数的二元三次关系式 计算得出当 流量分布不均匀系 数在敏感 参数取值范围内取最小值时的支管直径大小 利用F L U E N T对同尺寸并联管组的流量分布不均匀系数进行验证计算 计 算结果表明 优化后的流量分布不均匀系数比优化前降低了6 8 2 提高了并联管组的流量分布均匀性 为今后并联管组 的工程设计提供 了一种方法 关键词 并联管组 敏感性分析 流量分布不均匀系数 多元线性拟合 中图分类 号 T H 1 6 T K 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 5 0 1 5 0 0 6 Th e De s i g n o f Un f O r m T u b e F l o w Ra t e s Mo d e l f o r P a r a l l e l Tu b e s o f He a t E x c h a n g e r s Ba s e d o n t h e F L U ENT Y A N G C h e n g N I U Y o n g j i a n g L U O H a i y u L I Q i u n C o l l e g e o f Me c h a t r o n i c s a n d A u t o mo b i l e E n g i n e e r i n g T i a n s h u i N o r ma l U n i v e r s i t y G a n s u T i a n s h u i 7 4 1 0 0 0 C h i n a Ab s t r a c t h c a r r i e s o u t t h e w o r k b a s e d o n t h e b asi c p r i n c i p l e o fh y d r o m e c h a n i c s a n d F L U E N T F r s t r y t h e s e n s i t i v e p a r a m e t e r s are d e t e r m i n e d b y t a k i n g t h e t u b e s d i a me t e r f o r d e s i g n p ara m e t e r s and ana l y z i n g t h e s e nsi t i v e p ar a m e t e r s T h e n o b t a i ns a b i n a r y c u b i c r e l a t i o n b e t w e e n t h e n o n u n if o r m i t y a n d t h e s e n s i t i v e p ara m e t e r s b y m u l t ip l e l i n e r fi t t i n g a n d t h e t u b e s d i a me t e r w h e n t h e mi n i m u m N o n u n if o r m i t y i n t he v a l u e r ang e o ft h e s e nsi t i v e p ara m e t e r s N e x t t h e n o n u n if o r mi t y o ft h e s 口 s i z e p ara l l e l t u b e s i s w o e d o u t b y F L U N E T T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e n o n u n if o r m i t y is d e c r e a s e d b y 6 8 2 q 加r o p t i m iz at i o n d e s ign i t i m p r o v e s t h e u n if o t u b e flo w r at e s I t p r ovi d e s a m e t h o d f o r t h e p ara l l e l t u b e s d e s i g n ati o r Ke y W o r d s Pa r a l l e l T u b e s S e n s i t i v e An a l y s i s No n Un i f o r mi t y M u l t i p l e Li n e r Fi t t i n g 1引言 并联管组广泛运用于各种换热设备 冷凝器 蒸发器和太阳 能集热器阵列等 中 但通常并联管组的流量分布并不均匀 如果 并联管组设计或使用不合理 有时就会出现某些支管中的流量非 常小甚至逆流的现象 从而影响了换热设备的效率 在锅炉过热 器中如果出现流量非常小或者流路短路 导致过热器表面受热不 均匀 很容易发生爆管事故 极大的威胁到了生产安全 针对以上所出现的问题 国内外的学者们对并联管组在理 论和实验方面做了大量的研究工作 文献 3 疆过建立集管内单相 流体流动的几何与数学模型 得出了电站锅炉分流与汇流集管内 单相流体的流动特f生 并进行了实验研究 文献 导出了单相流体 在并联管组分配集箱中流动特f生的离散数学模型及其求解方法 文献 考虑摩擦和惯性效应的基础上建立了 u型和 z型并联管 组内流体流动的数学模型并得出了其解析解 文献 寸 平面型燃 料电池中并联管组内的流体建立了一维数学模型 并将其解析解 与三维 C F D的计算结果做了对比 文献 寸 热交换设备中并联 管组内流体的流动特 生进行了实验研究 通过在分流集箱中插入 一 根多孔的圆管使并联管组的流量分布较均匀 随着近代计算机技术的飞速发展 商业 C F D软件大量的运 用到了科学研究的领域 文献口 嚼f 微型并联管组进行了研究 利 用 C F D技术提出了一种对集箱形状的优化方法 文献 嘴 分流集 箱的轮廓分别设定为线性和非线性的曲线 并利用 C F D得出了 其流量分布均匀系数 文献 t 汽车加热器的U型并联管组分配 集箱中加入一个导流板 然后利用 F L U E N T计算得出了支管流 量分布 进而得出导流板在分配集箱中的最佳位置 文献 锅 炉再热器进行了理论分析与 F L U E N T 仿真 得出H型并联管组 比其他型式的流量分布更加均匀 文献 对板翅式热交换器中并 联管组内的蒸汽进行了F L U E N T仿真 并得出了并联管组中蒸 汽的压力和速度分布 前人的研究虽然使并联管组的流量分布均 匀化了 但很多都是以极大的增加并联管组的重量 尺寸或制造 成本为代价的 在分析并联管组内流体流动特 生的基础上 将设 来稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 4 基金项 目 天水师范学院中青年教师科研资助项 P S A1 4 0 3 作者简介 杨程 1 9 8 6 一 男 甘肃天水人 硕士研究生 讲师 主要研究方向 新能源及节能技术研究 第 5期 杨程等 基于 F L U E N T的换热设备 中并联管组均流模型设计 1 5 1 计参数 支管直径 对流量分布不均匀系数的影响进行了敏感性 分析 提出对并联管组的支管直径进行重新设计 使流量分布不 均匀系数减到最小 2并联管组的水动力特性分析模型 所研究的并联管组几何模型 如图 1 所示 并联管组可看作 是分流集箱 汇流集箱和 9 根支流管组成 水由并联管组的进口 进入分流集箱 通过 1 9 支管进行分流 汇集在汇流集箱后从 出口流出 为了对并联管组内流体的流动特陛建立流体动力学控 制方程 在进行数值计算之前须对其进行如下假设 1 流体为单 相 均质 常物性和不可压缩的液态水 在管内作等温 定常流动 2 集管为等截面的矩形管 截面面积为 9 x 9 mm 3 忽略并联 管组中的摩擦阻力 局部阻力和惯性效应等 4 支管与集管垂直 水在人口的速度垂方向直于分流集箱的横截面 5 外界的环境压 力和温度不变 流体做等温运动 因此在模拟过程中不需要开启 能量守恒方程 只需要求解质量守恒方程和动量守恒方程 实际 上 即使在边界条件不变的情况下 流体的流动也是不稳定的 压 力和速度等流体的流动特l生 都会产生随机变化 为了保证模拟结 果的真实性 还需引入 k e湍流方程 图 1并 连管组的几何模 型 F i g 1 S c he ma t i c Di a g r a m o f t h e P a r a l l e l Tu b e s 质量守恒方程 0 1 动 量 守 恒 方 程 等 一 蕃 毒 嚣 等 c2 k的输送方程 p 等 一 0 Ix O k 4ix O u 善 等 s cs 8的输送方程 p 鲁 一 音 篝 c I e 百0 u i 盟Ox i 等 一 c 4 式中 一湍动能 广 湍动耗散率 p 一流体密度 k g m 旷一 流体速 度 m s 一湍动粘度 o r k 端 流常量 方程中的经验常数 Cl 1 44 C2 1 92 o k 1 0 1 3 3 F L U E N T仿真分析 3 1边界条件 求解器选用非耦合定常隐式求解 选用标准 k e 方程 近壁 节点采用标准壁面函数法处理 压力和速度的耦合采用 S I MP L E 算法 动量利用二次迎风格式离散 设定初始化管组入口速度为 2 6 5 3 m s 即水的体积流量为 2 L mi n 设定残差和迭代次数进行 计算 所用计算机器为 1 台 D E L L工作站 配置有 1 颗酷睿 i 5四 核处理器和 4 G B内存 计算一个工况需要 8 h 左右 3 2 网格独立性测试 用G A MB I T建立并联管组的三维模型并进行结构性与非结构 性混合网格划分 为了确保模拟计算结果的准确性 网格独立性测试 是非常必要的 如图2 所示 在并联管组进口的体积流量 Q 2 Um i n 不变的隋况下 网格数量为4 2 5 7 0 2 6 5 3 4 4 7 8 4 8 7 5 3和 1 1 3 8 4 9 9 时 计算所得的流量不均匀系数分别为 0 0 3 8 1 3 0 0 3 2 4 8 0 0 3 0 1 3和 0 0 2 9 8 7 后两种网格计算所得的流量不均匀系数差别低于 1 考 虑到计算成本和精度 选择第三种网格进行网格划分 e 姜 图 2网格独立性测试 F i g 2 G r i d I n d e p e n d e n c y T e s t o f t h e Nu me r i c al S o l u t i o n s f o r Gr i d S y s t e m 3 3 F L UE N T计算结果验证 为了确保模拟结果的正确性 将并联管组按如图 1 所示进 12 1 体积流量 Q 2 L m i n 支管直径 d 3 m m时所得的模拟数据与实 验数据对比 如图 3 所示 模拟计算是在理想条件下进行的 忽略 了摩擦阻力 局部阻力和惯性效应等 难免会造成误差 考虑到以 上原因 认为模拟数据与实验数据符合良好 模拟结果真实可信 畦 褂 丑 删 舡 图 3模拟与实验数据 的对 比曲线 Fi g 3 C o mpa r i s o n Be t we e n t h e Me a s u r e d a n d Calc u l a t e d F l o w Ra t i o 3 4 F L UE N T计算结果的处理 为了评估并联管组流量分布的不均匀性 引入两个无量纲 的 参 数 和 屈 等 5 丽 6 声 屈 7 式中 Q 厂第 i 根支管的质量流量 k g s 联管组进 口的质量 流量 k g s 第 i 根支管的流量比率 均流量比率 J 7 7 支管数量 一流量分布不均匀系数 支管流量比率越接近平均流量比率 会使流量分布不均匀系数 n O 0 0 O O 0 0 O 1 5 4 机 械 设 计 与 制 造 No 5 Ma v 2 01 5 d l x 1 d 2 y其格式为 6 6 l l 6 2 2 6 3 2l 6 4 2 2 6 5 1 2 6 3 6 3 6 6 表 1并联管组设计参数的敏感性分析 Ta b 1 S e n s it iv i t y An a ly s is f o r t h e De s i g n P ar a me t er s o f t h e P a r a l l e l Tu b e s 8 表 2流量分布不均匀系数表 Ta b 2 Ta b l e f o r t h e No n Un i f or mit y 2 0 0 5 3 2 7 4 71 0 0 5 7 4 9 7 6 9 0 0 6 3 7 51 71 0 0 6 9 48 6 62 0 0 7 41 1 7 4 6 2 3 0 0 2 8 2 9 6 7l 0 o 31 21 9 8 3 0 0 3 6 9 7 0 0 0 O o 4 1 9 7 7 93 0 o 4 7 2 4 2 7 3 2 6 0 0 1 2 4 6 65 0 0 01 1 21 5 8 4 0 01 2 0 31 4 0 0 01 5 9 3 8 03 0 01 9 8 71 5 7 2 8 0 0 1 92 6 6 7 2 0 01 4 61 9 1 7 0 0l 1 9 9 8 2 4 0 01 0 7 4 3 3 7 0 01 0 8 7 3 8 7 3 0 0 3 01 3 73 0 0 0 2 6 31 2 5 1 0 0 2 3 5 5 4 9 7 0 0 2 2 07 2 1 0 0 0 2 0 6 8 4 3 0 对表2中的数据直接进行二元线性拟合 所得的回归方程为 2 0 4 2 3 6 7 9 6 3 0 2 7 5 3 3 1 3 7 x l 1 1 7 8 8 0 6 8 0 x 2 0 0 5 6 6 8 8 3 8 x 1 一 Q6 1 9 6 6 7 8 7 2 0 7 5 4 9 2 6 1 0 0 0 3 7 2 4 6 3 3 l 0 1 0 3 7 6 9 2 4 3 一 0 0 1 8 2 4 8 7 5 x I 2 0 0 0 2 7 8 3 7 缸 2 1 3 I 4 2 x 2 信 所以该二元三次多项式方程是极显著的 式 9 的在笛卡尔坐标系 中的曲面 如 图 9所示 曲面投影 到垂直于 d 轴的坐标面上 如同一个对号 即先减小后增加 从 该曲面可以观察到 1 将 1 样 支管直径固定 1 支管的直径越大 流量分布不均匀系数对 4 9 支管直径的变化越敏感 2 将 4 9 支管直径固定 当2 m m d 4 2 4 mm时 流量分布不均 匀系数随着 1 支管直径的增大而增大 当 2 4 mm d 4 9 2 7 mm 时 流量分布不均匀系数先随着 1 支管直径的增大而减小 后又 增大 当2 7 m m d 4 9 3 m m时 流量分布不均匀系数先随着 1 支管直径的增大而减小 3 曲面在 d 3 7 m m d 2 6 m m附近有 驻点 即方程 9 在 3 7 x z 2 6附近有极小值 对方程 9 中的自变量 和 分别求偏导得 0 1 0 一6 y 0 6 x 求得方程组 1 O 的解为 6 6 4 9 2 1 5 6 6 6 2 7 1 3 6 1 6 5 7 7 3 4 2 7 1 2 7 2 9 6 4 7 0 5 8 2 9 0 4 1 因为 自变量的取值范围为 3 mm d 1 4 mm和2 m m 3 mm 因此将 1 弘舍去 即当 d 1 3 4 2 7 1 d 9 2 7 2 9 6 时并联管组的流量分布不均匀系数最小值 0 0 1 0 5 且最小值在自变量的取值范围内 将 d 3 4 2 7 1 d 2 7 2 9 6时并联管组模型进行F L U E N T数值 寸 算 将计算所得的支 管流量比率与初始并联管组对比 如图 1 0 所示 计算得出优化前 后并联管组的流量分布不均匀系数分别为 0 0 3 0 1 4和 0 0 0 9 5 8 优化后支管的流量分布比优化前的均匀性提升了6 8 2 改善了 换热设备的性能 0 0 0 e O 0 槲 丑 鲫 避 却 图 9拟合曲面 F i g 9 Th e F i t t i n g S u r f a c e 支管编号 图 1 0优化前后支管流量比率曲线 Fi g 1 0 Th e F l o w Ra t i o Di s t r i b u t i o n s B e f 0 r e a n d A f t e r t h e Op t i mi z a t i o n De s i g n 6结论 在对换热设备中 Z型并联管组进行流体特性分析的基础 上 从设计思路出发 结合全文的数值计算 可知并联管组的均流 模型设计符合初衷 明显提高了流量分布均匀性 为今后并联管 组的工程设计提供了一种方法 主要结论如下 1 利用 F L U E N T计算得出了每个设计参数 支管直径 单 独变化时的压力云图 速度云图 支管流量比率曲线和每个设计 参数单独变化时的流量分布不均匀系数 2 以敏感参数为自变量 流量分布不均匀系数 为因变量 拟合出一个二元三次多项式方程 求得该方程自变量在取值范围 内的最小值 3 对流量分布不均匀系数取最小值时尺寸的并联管组进行 数值计算验证 验证结果与拟合方程所得结果符合良好 参考文献 1 缪正清 王恩禄 田子平 电站锅炉分配集箱系统单相流体流动特性 的 研究 J 动力工程 1 9 9 8 1 8 1 4 3 4 7 No 5 Ma v 2 0 1 5 机械 设 计 与制 造 1 5 5 Mi a o Z h e n g q i n g Wa n g E B l u T i a n Z i p i n g A r e s e a r c h o n t h e s i n g l e p h a s e fl u i d flo w c h ara c t e ris t i c i n p o we r p l a n t b o i l e r d i s t rib u t i ng h e a d e r s y s t e m J P o w e r E n g i n e e ri n g 1 9 9 8 1 8 1 4 3 4 7 2 缪 正清 王恩禄 田子平 电站锅炉汇集集箱系统单相流体流动特性的 研究 J 动力工程 1 9 9 8 1 8 2 4 6 4 9 4 5 Mi a o Z h e n g q i n g Wa n g E n l u T i a n Z i p i n g A r e s e arc h o n t h e s i n g l e p h a s e flu i d flo w c h ara c t e ris t i c i n p o we r p l a nt b o i l e r c o l l e c t i n g h e a d e r s y s t e m J P o w e r E n g i n e e ri n g 1 9 9 8 1 8 2 4 6 4 9 4 5 3 韦晓丽 缪正清 z型和u型集箱并联管组流动特性的实验研究 J 动 力工程 2 0 0 8 2 8 4 5 1 4 5 1 8 We i X i a o l i Mi a o s t u d y o f fl o w c h a r a c t e ri s t i c s i n p a r a l l e l t u b e s e t s y s t e ms w i t h t y p e Z a n d t y p e U h e a d e r s J P o w e r E n g i n e e ri n g 2 0 0 8 2 8 4 5 1 4 5 1 8 l 4 J L u F ang L u o Y o n g h a o Y a n g S h i m i n g A n aly t i c al and e x p e ri me n t al i n v e s t i g a t i o n o f fl o w d i s t ri b u t i o n i n ma n if o l d s f o r h e a t e x c h a n g e r s J J o u r n a l o f H y d rod y n a mi e s 2 0 0 8 2 0 2 1 7 9 1 8 5 5 Wa n g J an y e P r e s s u r e d r o p a n d fl o w d i s t ri b u t i o n i n p arall e l c h a n n e l c o n f i g u r a t i o n s o f f u e l c e l l s U t y p e a r r a n g e m e n t J I n t e r n a t i o n a l J o u rn a l o f H y d r o g e nE n e r g y 2 0 0 8 3 3 2 1 6 3 3 9 6 3 5 0 6 Wa n g J u n y e P r e s s u r e d r o p a n d fl o w d i s t ri b u t i o n i n p a r all e l c h a n n e l c o n f i gur a t i o n s o f f u e l c e l l s Z t y p e a r r a n g e m e n t J I n t e r n a t i o n a l J o u r n al o f H y d r o g e n E n e r g y 2 0 0 8 3 3 2 1 5 4 9 8 5 5 0 9 7 S Ma h a r u d r a y y a S d a y a n t i A P D e s h p and e F l o w d i s t ri b u t i o n a n d p r e s s u r e d rop i np arall e l c h a n n e l c o n f i g u r a t i o n s o f p l a n arf u e l c e l l s J J o u rna l o f P o w e r S o u r c e s 2 0 0 5 1 4 4 1 9 4 1 0 6 1 8 J Wa n g C h i c h u a n Yang K a i s h i n g T s a i J h o n g s y u a n C h a r a c t e ri s t i c s o f flo w d i s t rib u t i o n i n c o mp a c t p arall e l flo w h e a t e x c h a n g e r s p a r t hT y p i c al i n l e t h e a d e r J A p p l i e d T h e r ma l E n g i n e e ri n g 2 0 1 1 3 1 1 6 3 2 2 6 3 2 3 4 9 Wa n g C h i c h u a n Ya n g K a i s h i n g T s a i J h o n g s y u a n C h a r a c t e ri s t i c s o f flo wd i s t ri bu t i o ni nc o mp a c t p a r a l l e l fl o w h e a t e x c h an g e rs p a r t I I Mo d i f i e d i n l e t h e a d e r J Ap p l i e d T h e r mal E n g i n e e ri n g 2 0 1 1 3 1 1 6 3 2 3 5 3 2 4 2 1 1 0 J Os a mu T o n o mu r a S h o t a roT a n a k a Ma s a r u N o d a C F D b a s e d o p t i mal d e s i g n o f mani f o l d i n p l a t e 矗 n mi c rod e v i c e s J C h e m i c a l E n g i n e e rin g J o u mal 2 0 0 4 1 0 1 1 3 9 7 4 0 2 1 1 1 J J i mmy C K T o n g E p h r a i m M S p a r r o w J o h n P A b r a h a m G e o m e t ri c s t r a t e gle s for a t t a i n me n t o f i d e n t i c a l o u t f l o w s t h rou g h a l l o f t h e e x i t p o r t s o f a d i s t ri b u t i o n m a n i f o l d i n a m a n i f o l d s y s t e m J A p p l i e d T h e r m al E n g i n e e ri n g 2 0 0 9 2 9 1 7 1 8 3 5 5 2 3 5 6 0 1 2 S h i J u n y e Q u X i a o h u a Q i Z h a o g a n g E ff e c t o f i n l e t mani f o l d s t r u c t u r e o n t h e p e r f o rm a n c e o f t h e h e a t e r c o r e i n t h e a u t o mo b i l e a i r c o n d i t i o n s y s t e m s J A p p l i e d T h e r m a l E n g i n e e ri n g 2 0 1 0 3 0 8 9 1 0 1 6 1 0 2 1 1 1 3 j E s m a e i l P o u rsa e i d i Ma s o u d Ar ahl u U s i n g C F D t o s t u d y c o mb u s t i o n a n d s t e a m fl o w d i s t ri b u t i o n e f f e c t s o n r e h e a t e r t u b e s o p e r a t i o n J J o u rnal o f F l u i d s E n gi n e e ri n g 2 0 1 1 1 3 3 0 5 1 3 0 3 1 1 1 1 4 Ma y u r k u ma r s G a n d h i Ar i j i t A G a n g u l i J y e s h t h ar B d o s h i C F D s i m u l a t i o n f o r s t e am d i s t ri b u t i o n i n h e a d e r a n d t u b e a s s e m b l i e s J C h e mi c a l E n g i n e e r i n g R e s e arc h a n d D e s i g n 2 0 1 2 9 0 4 4 8 7 5 0 上接 第 1 4 9页 F r e q u e n c y H z 图 7带通滤波器后的包络谱 T a b 7 En v e l o p e o f Ba nd p a s s F i l t e r a f t e r t h e S p e c t r u m 5结论 1 小波包分层阈值降噪法应用在滚动轴承振动信号中具有 较好的降噪预处理效果 通过适当的重构信号 可以有效地提高 信噪比 同时抑制高频和低频噪声 能够恢复信号中的高频成分 信号 2 谱峭度理论应用在滚动轴承振动信号中可以更好地确定 合适的带通滤波参数 从而能更准确地利用包络分析法从轴承振 动信号中解调出故障特征频率 诊断出轴承故障 参考文献 1 唐贵基 蔡伟 应用小波包和包络分析的滚动轴承故障诊断 J 振动 测试与诊断 2 0 0 9 2 9 2 2 0 1 2 04 T a n g G u i j i C a i We i A p p l i c a t i o n o f w a v e l e t p a c k e t a n d e n v e l o p m e n t a n al y s i s i n f a u I t d i a gno s i s o f r o l l i n g b e a ti n g J J o u rna l o f V i b r a t i o n Me a s u r e m e n t D i a g n o s i s 2 0 0 9 2 9 2 2 0 1 2 0 4 2 苏文胜 王奉涛 张志新 E M D降噪和谱峭度法在滚动轴承早期故障 诊断中的应用 J 振动与冲击 2 0 1 0 2 9 3 1 8 2 1 S u We n s h e n g Wa n g F e n g t a o Z h a n g Z h i x i n E MD d e n o i s i n g a n d s p e c t r a l k u r t o s i s i n t h e a p p l i c a t i o n o f f a u l t d i a g n o s i s o f r o l l i n g b e a ti n g J J o u r n a l o f V i b r a t i o na n d S h o c k 2 0 1 0 2 9 3 1 8 2 1 3 杨文志 马文生 任学平 J 波包降噪方法在滑动轴承故 障诊断中的应 用研究 J 噪声与振动控制 2 0 0 9 4