【《管束布置方式对管壳式换热器流动与传热的影响综述》4800字】

管束布置方式对管壳式换热器流动与传热的影响综述目录TOC\o"1-3"\h\u596管束布置方式对管壳式换热器流动与传热的影响综述 1139291.1数值模拟的基本过程 2253151.1.1前处理 2287901.1.2计算求解 318271.1.3后处理 3234501.2模型的建立及理论计算方法 3206511.2.1换热器模型的基本情况 397991.2.2模型建立及网格划分 388191.2.3模型的边界条件设置及求解方法设置 593771.3计算求解与结果分析 6125321.1.1不同管束排列方式的速度矢量场分布 6119251.1.2不同管束排列方式的压力场分布 9318321.1.3不同管束排列方式的温度场分布 12296461.1.4不同管束排列方式的综合换热性能对比 14换热管束是安装在换热器内部用来传递热量的界面，换热管的各项物理参数如换热管的尺寸、几何形状、管间距和管的排列方式都会对传热产生非常大的影响。改变这个物理参数不但会影响换热，同时还会对换热器的生产、清理产生影响。例如，如果换热管的管径较小，换热器的结构会更紧凑，换热器单位体积上的换热面积就回增大，总换热系数也会随之增大，但是带给生产、运行、维护人员来说，就会产生负面影响，因为其会使制造工艺更加复杂，也会使换热管易于结垢，难以清理。所以管径大的换热管一般走粘性较大或者相对污浊的流体，管径小的走相对清洁的流体。而换热管的结构和排列排列方式不同，主要是影响壳程流体的流动情况不同，其会使流体的扰动情况不同，会使流体的流动状态不同，进而影响流体与换热管束的接触面积和接触时间，从而影响换热效果。换热管束排列方式的不同，促进要考虑换热设备结构的相对紧凑，还要考虑到其制造工艺的难易程度、对换热器换热效果的影响和流体本身的性质。传统意义上，换热管束在换热器内部的主要排列方式有以下几种：正方形、转角正方形、正三角形、转角正三角形，分别如图所示图3-1换热管束的四种排列方式换热管束的排列方式不同，换热器内流体的流动状态就不同，换热效果也不同。所以运用数值模拟的方法研究分析管束排列方式对换热器的换热效果和壳程流体流动状态与传热的影响非常是非常必要的。1.1数值模拟的基本过程数值模拟的基本过程主要有三步：前处理、计算求解和后处理1.1.1前处理前处理主要为几何模型的建立与网格划分，所以运用的软件主要有两类：建立几何模型的软件要有CAD、Pro/E、SolidWorks和FLUENT系列软件SpaceClaim。本文用到的建模软件为SpaceClaim，其拥有强大的几何模型构建功能，是直接建模技术的先导，它无特征树，没有隐藏的约束条件，给设计者提供了一个自由的建模空间，对新手极为友好，非常适合初学者入门，缩短了设计者的培训时间。网格化软件主要有GAMBIT、ICEM、FILTERS等，本文应用的为GAMBIT软件，因为其是美国FLURNT公司研发的专门用于CFD的高质量前处理器，其主要功能不仅包括网格划分，还包括几个建模，但由于其几何建模功能并不完善，创建不了太复杂的三维几何模型，且在操作复杂性上略高，所以本门不采用GAMBIT建模，而是选择操作更简单、几个建模功能更完善的SpaceClaim。GAMBIT几个建模功能虽然略有劣势，但是其网格划分功能却相对强大，其可以将导入进来的几何模型自行进行完善，自动合并模型上重合的点、线、面，在保证模型数据完整正确的情况下，保证模型的完善性和正确性。不仅如此，GAMBIT还具有几十种网格划分方法和特定的网格划分算法，能够在错综复杂的模型上划分出高质量的四面体、六面体或混合网格。1.1.2计算求解求解器是本文流体计算最重要的部分，所有的计算都是在此步骤完成，求解的主要过程是：将前处理器所生成的网格导入求解器，提供计算的三维物理模型，在求解器FLUENT中设置材料的属性，，设置模型的边界条件，确定计算方法，最后通过迭代计算求得最终结果。在FLUENT中，使用Pressure-based求解器时,在求解时会涉及到算法选择的问题,这里的算法一般有以下四种，分别是SIMPLE、SIMPLEC、PISO和Coupled。其中前三种为分离求解方法，最后一种为耦合求解方法，每种求解方法都有自己的适用场合，选择哪种求解方法要视流体具体的流动情况而定。材料特性和边界条件需要用户自行设置，在设置边界条件时，一定要对湍流运动进行定义，在FLUENT中，主要有四种定义方法，分别为强度与粘度比、强度与长度尺度、湍动能与湍流耗散率和强度与水力直径，本文才用的是湍动能与湍流耗散率。前边条件和数值设定好以后，对流场进行初始化，最后进行迭代计算。1.1.3后处理在FLUENT中，迭代计算的最终结果可以以曲线图、云图等方式直观影响地展示出来，也可以用ORIGIN、TECPIOT等专业后处理软件对结果曲线和图片进行最后的完善。通过比较各个参数的变化规律来分析流体的流动情况和换热情况。1.2模型的建立及理论计算方法1.2.1换热器模型的基本情况壳体直径273mm壳程流体水壳体长度1500mm换热管间距30mm换热管直径20mm换热管数45换热管长度1500mm折流板间距240mm壳程流体进口温度288.15K壳程流体进口平均速度1m/s换热器壳程进出口外接管管长80mm管程温度348.15k1.2.2模型建立及网格划分管壳式换热器主要包括壳体、换热管束、管板和折流挡板，其内部结构较为复杂，所以在几何尺寸保持正确的情况下，需要对换热器进行进一步的简化。在此做两点简化假设：1忽略换热管束、壳体和折流挡板厚度，忽略换热管束和折流挡板以及折流挡板和壳体之间的间隙，不考虑它们对流体流动及换热的影响。2假设流体为牛顿流体，流体不可压缩且各向同性连续。不考虑拉杆、防冲板等对壳程内部流体流动与换热几乎不产生影响的部件，建立模型的时候也不考虑它们。3因为我研究的是壳程流体的流动与换热情况，所以不考虑管程流体，且忽略换热管束厚度。4假设流体的物理性质不随时间变化。在使用GAMBIT建模时，由于模型较为复杂，且模型最小距离和最大距离相差较大，导致如果要刻画好模型的具体细节，则需要大量的网格。为了计算的方便和受限于计算条件的限制，且所建立模型是对称模型，所以在不影响计算正确性的条件下，将换热器分成两半，只建立一半的模型，将中间的切面设成对称面即可。如图图3-2管壳式换热器模型图网格划分是离散技术一个非常重要的步骤，而计算流体力学本质就是对控制方程在其所规定的区域内进行离散，所以网格质量的高低对FLUENT的最终计算结果有着非常大的影响。特别是对于一个复杂的几何模型来说，网格划分是一个非常复杂且极易出错的步骤。网格划分往往会占据整个计算时间的百分之七十左右，所以网格划分这个步骤是极其需要注意的。本文的几何模型就为较复杂的管壳式换热器模型，网格划分阶段也是付出了大量的时间，也发生了许多不同的错误。本文的网格为四面体网格，因为如果用六面体网格划分的话，过程会非常复杂，且网格数量会非常庞大，计算精度也不够准确。所以本文采用较为简单的四面体网格，网格数基本为1400000左右。网格如下图所示图3-3管壳式换热器网格图1.2.3模型的边界条件设置及求解方法设置设定的流体介质为水，其物理性质为等效温度下的常量，。流体进口边界条件选择速度入口，出口边界条件选择自由出口，壳体、折流板及管板采用绝热、无渗透、无滑移的边界条件，换热管束设置为恒温壁面。设置的流体为不可压缩的牛顿流体，换热器壳程流体的流动及热量交换要满足能量方程、动量方程和连续性方程。因为湍流效应对流体的流动和换热有一定的影响，所以本文采用k－ε湍流模型计算求解。为了保证收敛的稳定性，采用pressurebased隐式求解，速度与压力参量的解耦采用couple耦合算法求解，能量、动量和湍流运动下的参量求解采用二阶迎风格式secondorderupwind。1.3计算求解与结果分析1.1.1不同管束排列方式的速度矢量场分布图3-4放大后的换热器壳程入口矢量分布图图3-5放大后的换热器壳程入口矢量分布图如图为换热器壳程进出口流体的速度矢量图，从图中可以看出，流体介质进入壳程时，流体流速均匀，后来由于进入壳体内接触到换热管，使流速发生较大变化，且变化较大，导致流速分布不均匀。图3-7正方形排列速度矢量图图3-8转角正方形排列速度矢量图图3-9正三角形排列速度矢量图图3-10转角正三角形排列速度矢量图换热器壳程刘场内的速度矢量图如图3-7——3-10所示，从图中可以看出，壳程内的速度分布非不均匀，因为由于折流挡板的原因，使流体的流动方向发生改变，流动速度也随之而变，折流挡板把壳程内的流域分成多个部分，在每个部分流体横向冲刷换热管束，呈错流流动换热，即使在相对较小的雷诺数下，也会达到湍流流动，同时也是换热管束和流体的主要还换热区域，绝大部分换热在此处进行。此外，流体在此处还有扰流现象，使流体与换热管束接触更加充分，换热更加明显，可以提高换热量。在折流挡板的下部与壳体之间的流体相对换热管束呈平行流动状态，只有10%几的热量在此传递，换热量较小，在折流挡板背后为涡流区，在这里流动情况非常差，流动缓慢，很难进行换热。这里流体以小型漩涡状态往复流动，换热管束与流体介质的温度慢慢达到平衡状态，热量没有办法有效的传递，换热效果非常差，这部分区域被成为热死区。图3-11正方形排列速度矢量图图3-12转角正方形排列速度矢量图图3-13三正角形排列速度矢量图图3-14转角正三角形排列速度矢量图在四种排列方式的模型Z＝71.5mm处截取一个平面，将截面图放大后的速度矢量图如图3-11——3-14所示，从图中可以看出，正方形排列的换热管束较为整齐，换热管束之间呈一条直线，流体介质流入壳体后，流体介质顺流而过，湍流作用不明显，且与换热管束的接触面积较小，导致换热效果较差。对转角正方形而言，换热管束呈45度排列，换热管束错综分布，流体介质与换热管束间有绕流作用，使二者充分接触。但由于换热管间空间较大，流速相对较小，湍流运动不明显三角形排列换热管束的结构相对紧凑，流体介质进入换热器后，流体几乎绕流过所有换热管，使流体介质与换热管束充分接触，传热面积较大，流速也较大，强化了湍流运动，增加了换热量，增强了换热器的换热性能。对于转角三角形排列，其产生了顺排的换热管束，流体在换热管束旁顺流而过，经后排管束时流速较小，且与换热管束接触不充分，换换热效果不如正三角形排列方式好，但优于正方形排列和转角正方形排列方式。1.1.2不同管束排列方式的压力场分布图3-15正方形排列压力云图图3-16转角正方形排列压力云图图3-17正三角形排列压力云图图3-18转角正三角形排列压力云图图3-19不同排列方式的压降曲线图图3-15——3-18为壳程流体介质的压力变化云图，从图中可以看出，流体介质刚进入壳体时压力最大。对于正三角形排列，由于换热管束结构紧凑，且为插排方式，换热管束间空间狭小，流体介质流经换热管束时，需要消耗大量的能量来克服固体物件所产生的巨大阻力，从而压力消耗较大，压降明显。对于转角正三角形，由于是产生了顺排结构，压力变化要小于正三角形排列方式。正方形的压力变化与转角正方形压力变化差别不大，转角正方形排列方式的压降要略大于正方形排列方式，但都明显小于正三角形和转角正三角形排列方式。1.1.3不同管束排列方式的温度场分布图3-20正方形排列温度云图图3-21转角正方形排列温度云图图3-22正三角形排列温度云图图3-23转角正三角形排列温度云图图3-24不同排列方式的温升曲线图图3-19——3-22为四种管束排列方式的壳程流体的温度场分布云图，图3-24是不同排列方式的温升曲线图。从图中可以看出，壳程流体温度分布非常不均匀。流体温度场的变化即温度的大小与流体的流动速度、流动方式、流动途径、与换热管的接触面积和换热管束的排列方式均有关。四种排列方式中，正三角形排列最为紧凑，流体介质与换热管束的接触面积也大，换热效果最好。转角正三角形排列流速相对较低，且出现了顺排管束，管束间空间较大，流体介质与换热管束的接触面积不如正三角形大，换热效果也自然比正三角形差，但强于正方形排列方式。对于正方形排列方式，其管束分布均匀，排列整齐，流动阻力小，流体与换热管束接触较均匀，温度变化均匀，整体换热效