FLUENT软件对管壳式换热器壳程流体数值模拟方法可行性的验证

1、2007 年第6期2007Nd 6管道技术与设备Pipeline Technique and EquijiiientFLUENT软件对管壳式换热器壳程流体数值模拟方法可行性的验证王艳云】，李志安I刘红禹1宿 萌1,孟令一吕春红2(L沈阳化工学院机械工程学院.辽宁沈阳110142;2.沈阳汇博热能设备有限公司.辽宁沈阳110043;3.沈阳新松机器人自动化股份有限公司.辽宁沈阳110168)摘要：鉴于单弓形折流板管売式换热器应用的广泛性.对传统单弓形折流板管売式换热器进行了数值模拟分析，验证 了 FLUENT软件应用到管売式换热器壳程流休数值模拟方法的可行性，并为换热器其它壳程艾撑结构的研究提供

2、了一定 的理论依据.关键词:换热器；单弓形折流板;FLUENT软件：数值模拟中图分类号:TE965文献标识码A 文章编号:1004 9614(2007) 06- 0046- 03Confirmation of the Feasibility of FLUENT Software Applied to the Shell SideFluid Numerical Emulation of the 3ielDand2Tube Heat ExchangerWANG YanZyml LI ZhiZe】1. UU Hcnyu2, SU Meng1 A1ENG Linyi3. LB Chunihong2(1

3、. Dq)onioineat of Mechanical Engmeeiimg, Shenyang Institute of Chemical Tedinolo, Sliengyang 110142, China;2. Sbengyang Hui bo Heat Energy Equipment Co., Ltd, Shenyang 110043, China;3. Shenyang Asun Robot & Automation Co., Ltd. Shenyang 11016& China)Abstract: As for die wild use of a shelEan

4、dJnibe heat exchanger with sngle seguaital baffles, its uumencal smnilatiai was camp lied and aialyd, which confinns die feasibilf y of FLUENT software appliedfcr the shell side fluid numerical sunilatioii c£ shelPandJtxibfhear exchanger and prodded some thecreucal evidence for studying other h

5、eat exchangers Key words: heat exchanger; single segmeilal baffles; ELUENT; numerical sinulation0引言管壳式换热器的结构简单，设计加工工艺成熟.安全可靠.适应性强.被广泛应用于石油、化工、冶金、能源动力、轻工、制 药、徴晶、农业以及海水淡化等行业领域中。管壳式换热器M 壳程的支撑结构不同，其亞程流体涼动形态和传热性能也不 同传统的管禿式换热器大多采用单弓形折流板.鉴于其应 用的广泛性,对传统E弓形折流板管壳式换热器进行数值模拟 分析.強证FLUENT软件应用到管壳式换热器壳程流体数值模 拟方法的町行

6、性，并为其他壳程支撑结构的研究提供了一定的 理论依据。数值模拟方法切是计篦流体力学、计算传热学的新的研 究方法.采用数值模拟方法对包括壳程纵向流换热器在内的 各种换热器进行分析9研究.以促进对换热器各种性能的进一 步研究与丿F发(2成为当今换热器研究的車要方向。D前数值模拟方法对换热器，尤臥足对借芫式换热器応程 的整体传热、流场分析.已经得到了一定的应用.并取得了一定 的社会与经济效益.1换热器数学模型及简化111基本控制方程为了便于分析，作如卜简化设定:流体为牛顿流体；流体物 性为常数;流体横向导热忽略不计W ®换热器壳程流体的流 动和热量传递必须满足如卜3个方程：连续性方程:动量

7、方程:x方向:y方向:z方向:能吊方程:9T9T 丄 9T , 9T 十 u z+ 11 匹 + 9v+ 9w= 09x 9y 9zX9 u x 9u x 9uu v + w *9x 9y 9z90 9P 亠 c9x* 9才 9zJ x9t '9：u9x9z学+u|l+、黑+藏器 9t 9x 9y 9z,9z-+ g、Q、 9w 979w丄 9v丄+ u k V 9?+ W9y9xz9w9?汽+制+ &Q9t * u 9x ' 9y J 9zQ一(1)(2)(3)(4)(5)式中:u,v和w分别为x. y和z方向的速度分M,m/s; gx, gy和 氐分别为x.y及z方

8、向的重力加速度重力影响可忽略不计；t为时间s: q为比定压热容.J/(kg#K); L为流体黏度. P岩s: K为导热系数.V/(m#K) ;Q为流体密度.kgm3; T为温 fi.Kp为压力.Pa因模拟为思态过程，所以式屮参昱对时间的偏导数取0 °2007 年第6期2007Nd 6收稿日師啓0布 Aina Academic Journal Electronic Publish蹑H勲流模型和琶褂?Served, 48Pipeline Technique and EquiptneniNod 200?图1单弓形折流板换热器内部结构示意图由于传统单弓形折流板换热器壳程流体呈对称分布，因此

9、以1/2换热器为研究对彖进It建模、划分网格、设定边界条件、 初始条件、选杼il算模塑。(1)入口边界条件力程入口：u= un;p= phm；T= T$iB; k= kn;E= Ea管程入口：T= TlB式屮:k为渦流疑脉动动能;E为湍流耗敬率；下标s为壳程,t为管程,m为入LL(2)出口边界条件Z9T, 9k 9E禿程出 口： = 0; = 0; = 0 9n 9n 9n9Tt管程出口：一= 0;9n(3)对称性条件一般工业上应用的换热器，换热管束的布置采用对称的竹 束布究方式.因此换热器流体流动通道具冇对称性gv Ow 9p ot 9ky= o平Ifti(x2z 平而)：石二或= 0; =

10、 0;莎=0;0;9n(4)初始条件图3单弓形折流板换热器壳程流体溫度云图由图3、图4可知温度分布沿壳体径向存在较大的梯度. 传热不均匀；壳程压力损失较大，需要改进急需研究新些的换 热器。H询.螺旋折流板换热器、矩形几板换热器等已用于实际匚程当中。图4草弓形折流板换热器壳程流体压力云图当初始时刻t= 0时，有初始条件禿程：u= 11032 m/s; Ts= 298K;de= 31 inm k= 0;E= 0LlWJbl87na Academic Journal Electronic PublishiW乜无壕删軸超旌效昴詡W歸传统单':通过对云图的M观比较使得很难描绘1IKJI体观律，&

11、#169;某因湍流效应对流动与传热仃 淀的影响故采用k) EH方 曲模吃。采用分离受址法(Segxtgated)隐式(Imphcit)求解.保 证收敛的稳泄性；爪力和速度解耦采用SIMPLE算法(SemilnQ plicf Method for PressureLinked Equaliai)可；动吊八能彊以及湍流 参吊的求解采用阶迎风格式(Second Older Upmd)(刃；质吊及 能虽计算残差控制在10一 '数量级计算流体进口采用速度入 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；売体壁面采用不可渗透、无滑移绝热边 界.并给定换热管唯而温度；稳态不可

12、压缩求解.2计算结果及数据处理单弓形折流板换热器的结构参数如卜：壳体5 273 mm 8 inm.氏度 1 632 ma 换热管 5 25 mn215 inni 管数 n= 40 肚 管间距32 nun呈正三角形排列，采用圆缺度为25%(面枳)的单 弓形折流板，折流板间距为200 inn.厚度为6inm.壳程流体为 空气.入口温度25 e，其密度Q= 11067 kg m3.动力黏度L= 18125LPas,热传导率= 01029 W/(wffK),比泄压热容 cp= 11005 kJ, (kK),其质屋流量Qa= 202115 kg/lr必程进口平均 速度u二11032 m s.管程采用恒定

13、壁温为105 e饱和水蒸气，换热符采用不锈钢TL内部结构示意图如图1所示。经FECENT软件数值模拟肩得到取弓形折流板换热器壳程 流体速度、温度、爪力云图如图2图4所示。图2-图4中数 值的单位分别为m/s、K、Pa.图2单弓形折流板换热器壳程流体速度云图由图2可知，沿壳体轴线方向.受折流板的阻流作用.单弓 形折流板换热器壳程流动呆格体的/ ZD吃流动，流体主流速度 与折流板法向夹角很小，这样的冲击在折流板正面形成很大的 速度梯度，同时由F流通截面的突变而在圆缺处形成高速流动 区和折沆板背面的回流区，即流动死区。流动死区的存在既增 加壳程压力损失，又减小了壳程换热效率【刃。形折流板换热器模型进

14、行图形与数学计篦相结合的方式來获 宙速皮场号温度场和流动聊力的准则关联式.由于FLUENT软 件只能得岀速度、温度等细观数据，不能直接得出速度场号温 度场准则关系式，为此将对其进行公式推导。该模型雷诺数 &、努塞尔特准数Nu计算式【分别为：Re=(6)Nu=警(7)式中:札为当量直径,m. de= 4Ao S; Ao为流体流过的面积,m2； S为流体的润湿周长,nx Us为壳程流体平行流流速，m/s;A)为 壳程流体给热系数,W/(n?#K)°由于换热器管程通水蒸气，壳程通空气，因为水蒸汽冷凝 膜系数A» 因此，由传热方程并假设壁面光滑.换热管内 外壁的污垢热阻呻叫

15、可忽略不计,壁面热阻式中：山为内径;do为外径；m为厚度;K为壁湿卜的导热系 数。以外表面枳为咸准的换热器总传热系数K近似表示为丞严d?+ AK可由换热量求出.通过式(6)、式(7)计算并数值模拟换 热器禿程的Re和Nui,如表1所示。表1换热器壳程的Re和Nu数据流 &/(keih'i)売程Re壳程NU(模拟)壳IV Nu2(计算)721112 5132219723 78109 143 7632815529167144 225 C843315133 0118a 296 352381583H5721(3 337 6824217444 61253 248 773461034712

16、5拟合成如下关系式Nu= 01301 Re'叫严(4严(8)式中：g为壁温卜的流体黏度pr为普朗常数。对于丁程常用单弓形折流板管壳式换热器壳程流体流向 和流速的不断变化.在Re> 100时即达到湍流。这时管外流体 对流传热系数的计算，要根据具体结构选用适宜的理论计算 式.当管外装存圆缺度为25% (而积)的单弓形折流板且Re= 210106Z间时，可用式(9)i| ffNu:Nu= 01 36Reffl55PrV3( L/ U)0114(9)根据式(9)和表1中的Re计第出一系列的Nu：数值.见表1.经过式(8)、式(9)计算出数值模拟与理论计算得Nu值与 Re值、并对其进行比较

17、，应用Origin软件绘制出在双对数坐标 系中的Nu) Re关系曲线如图5.从图5中可以看出,FLUENT软件数值模拟计算值与理论 il Wffi II 接近，两者的IgNu与lgRr关系都呈良好线性。经 过两条曲线相比较，苴误差约为815%< 10%,说明应用FLL2R能够满足工程需要。图5 Nu与Re在双对数坐标系中的关系图3结束语釆用工程常用的单弓形折流板竹止式换热器为研究对彖, 进行数值模拟分析，从而拟ft(BNu值与&值的准则关联式。 通过与二程常用的理论关系式进行比较分析，得出两者曲线十 分接近并H.满足匸程要求.从而证明了 HUENT软件对管壳式 换热器壳程流体数值

18、模拟的方法具右可行性.通过数值模拟. 证明了 FLUENT软件对虫程纵向流换热器进彳j流体流动和代热 数值模拟计算A仃很巫要的工程应用价值,为无程纵向流管直 式换热衣的研究、设计开发提供了仃效的手段和工具。参考文献：1 杨m.M文栓传热学.3版.北京：高等教fr出版礼.1998: 157- 162 346- 348.2 吴金址，刘敏珊,朮英武.等换热器泮束支撐结构对芫程性能的 影血化匸机械:2002.29(2): 108- 111.3 王定标-纵流壳程换热器数值模拟技术打应川：学位论文上 海:华东理工大学,20004 钱颂文.换热器管束流体力学与传热.北京:中国石化出版*1：, 2OQ2.5 吴塑.流体力学.北京:北京大学出版社，19826 王补宜.匸程彳做传质学北京：科学出版IE. 19827 王福军.计算流体动力学分析北京：消华人学出版Ik, 2DW.8 PATANKAR S V. Nmiencal heat trantfa and fluid flwr. New Ya