自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟

点击：1696 日期：[ 2014-04-26 21:14:02 ]

自然循环换热器壳侧传热及流动的数值模拟薛若军，邓程程，李朝君，王明远（哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，黑龙江哈尔滨　１５０００１）摘要：为分析换热器的求解模型和内部结构的不同对传热和流动特性的影响，用等效自然循环换热器的模型进行多种变换。用Ｆｌｕｅｎｔ软件对等效模型进行非稳态数值模拟，研究其传热和流动特性。通过比较分析不同模型的温度场和流场的变化，对该换热器的传热过程和自然对流情况有较深刻的认识。结果表明：自然循环换热器的传热管内外温差较大，且流动较复杂，选用湍流模型计算更为合理；传热管位置的不对称性，引起左右两侧传热和流动的不对称性，使得流体相互影响，增强了自然对流作用；传热管的形状由直管变为Ｃ型弯管，结构的复杂性在一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性，使得湍流强度增加，致使换热效果得到改善。关键词：换热器；非稳态数值模拟；自然对流中图分类号：ＴＬ３３　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００－６９３１（２０１２）０２－０１９２－０７非能动余热排出系统（ＰＲＨＲＳ）是非常重要的非能动安全系统，能利用其自然循环能力及时地排出堆芯余热，从而确保反应堆的安全性［１－３］。热交换器是非能动余热排出系统中的关键设备，它对反应堆的安全运行起着举足轻重的作用。而随着计算机硬件技术的不断进步及计算流体力学（ＣＦＤ）的迅速发展，流动与传热的数值模拟已成为换热器研究的一种有效手段。用Ｆｌｕｅｎｔ软件对换热器的壳侧进行非稳态数值模拟，通过得出的温度场和流场的直观信息，研究其传热和流动特性［４－８］。根据需要，本文依据已知的主要参数推测计算其他所需参数［１－３］。如由换料水箱容积结合径高比可取换料水箱的高为１６ｍ，半径为７ｍ；由文献［１］给出的数据，再结合相关图形比例确定最外排管宽为４ｍ；根据传热管根数、管外径、管间距可排列出管束内管子的具体分布位置。为使模型简化后网格数减少，又要使等效模型的结构和换热效果与简化之前的大致等效，本文在保证换热量与换热面积、水箱中水的体积基本成比例的前提下，将换热器等效为高３００ｍｍ、半径１００ｍｍ的水箱，内含有１根左偏５０ｍｍ、半径２０ｍｍ的管的相似模型。本文用换热器的等效模型进行模拟，改变传热管的位置、形状，对同一类型传热管采用不同的计算模型，分析热交换器的求解模型和结构的不同对传热和流动特性的影响。１　研究对象和数学模型１．１　研究对象初始模型的建立：水箱高３００ｍｍ，半径１００ｍｍ，内含高３００ｍｍ、半径２０ｍｍ的管，管向左偏移５０ｍｍ。在此模型的基础上设置了以下４种模型进行求解计算。模型Ａ：对初始模型用湍流模型计算；模型Ｂ：对初始模型用层流模型计算；模型Ｃ：对管移到中心位置的模型用湍流模型计算；模型Ｄ：对类似余热排出热交换器的Ｃ型弯管模型用湍流模型计算。图１、２分别示意了４种小模型的建模和网格划分的情况。１．２　数学模型由于换热器管束温度与水箱内流体的温度相差较大，由温差产生的浮升力对流动有较大的影响，使得换热器内部呈现湍流流场。对于复杂的湍流流动，常以雷诺平均Ｎ－Ｓ方程为基础进行模拟。欲使Ｎ－Ｓ方程封闭，须构建一湍流模型，使雷诺应力项模型化。为此，采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设，设定雷诺应力与平均速度梯度成比例，引入湍流粘性系数μｔ，构建湍流模型，相应的控制方程［４－６］如下。从连续性方程的离散方程中导出的压力修正方程，要包含表示瞬态特性的项。瞬态问题的压力修正方程为：对于瞬态问题流场的计算，采用隐式积分方程，在每个时间步内进行迭代，直到取得本时间步的收敛解，然后转入下一个时间步继续重复上述过程。２　数值模拟结果与分析２．１　温度场模型Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４个不同时刻的温度云图示于图３～６。１）对比模型Ａ、Ｂ层流流动宏观上是规则的粘性流体运动，是流场呈一簇互相平行的流线的流动状态。湍流流动极不规则，极不稳定，每一点的速度随机变化。对于这种运动，一般把任一点的瞬时物理量用平均值和脉动值来描述。自然界的大部分流动是湍流流动。自然对流也有层流和湍流之分，一般用Ｇｒ作为自然对流流态转变的判据。模型Ａ、Ｂ的温度云图有很大的差异。从整体的温度变化来看，用湍流模型计算的结果（模型Ａ）要比用层流模型计算的结果（模型Ｂ）温度升高得更快，换热效果更强烈。从不同时刻的温度分布变化来看，模型Ａ的变化较明显，等温线的变化反映了从导热现象到出现对流作用再到对流的强化甚至出现绕流；而模型Ｂ的温度分布变化很小，几乎反映不出流动状态的变化。考虑到非能动余热排出热交换器的传热管内外温差较大，且流动较复杂，选用湍流模型计算更为合理。２）对比模型Ａ、Ｃ传热管相对水箱的位置不同，得出的温度场模拟结果也有所差异，这说明传热管的位置不同会影响传热效果。模型Ａ、Ｃ的温度云图的最大差异就是模型Ｃ的温度分布呈现严格的对称性，而模型Ａ的左右两侧温度分布有明显差异。从整体的温度变化来看，在相同时间内模型Ａ的流体温度比模型Ｃ的升得略高一些，说明模型Ａ的换热效果较模型Ｃ的好。传热管位置的不对称性，使得管左右两侧流体的温度产生差异，这种温度差无疑增加了热浮力的驱动作用，使得自然对流作用加强，对流混合作用反过来又促进了传热效果。３）对比模型Ａ、Ｄ传热管由直管变成弯管后，换热器的结构变得更复杂，温度分布也产生了差异。从整体的温度变化来看，在相同时间内模型Ｄ的流体温度比模型Ａ的升得高一些，说明模型Ｄ的换热效果较模型Ａ的好。观察模型Ｄ的温度云图可看出，被弯管包围的小区域内的流体温度较其他流体温度高许多且变化较快。这种较大的温度差异促进了自然对流作用。模型Ｄ的温度云图分布较不均匀且变化较大，说明弯管布置的结构复杂性在一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性，使得湍流强度增加，致使换热效果得到改善。２．２　流场４种模型分别在４个时刻中心纵截面的速度矢量图和速度云图及４种模型在同一参考平面上分别采用不同计算模型时的流场分布示于图７～１１。１）对比模型Ａ、Ｂ从图７、８可看出，模型Ａ的流体速度明显较模型Ｂ的大，对流作用更强烈。模型Ａ产生了绕流，出现了漩涡，且波及水箱的大部分流体区域，漩涡的位置和大小随时间不断变化，体现了流动的复杂性。而模型Ｂ流体流动较为平缓，随时间的变化也不明显，仅在水箱上部的局部小区域出现了强度较小的绕流。２）对比模型Ａ、Ｃ模型Ｃ由于结构的对称性导致流动也呈现对称性，相当于传热管左右两侧的流体将传热管传递的热量平分，产生对称的流动，彼此几乎互不影响和搅浑，成了几乎隔离的两个流动区域。而模型Ａ的左右两侧流体的流动大有差异，这种差异是由传热的不对称引起的，同时这种差异使得两侧的流动相互影响产生搅浑，从而使对流作用增强。３）对比模型Ａ、Ｄ传热管的形状不同，使得模型Ａ、Ｄ的流场分布也不大相同。从图７、１０可看出，模型Ｄ的流动要比模型Ａ的稍强烈一些。弯管包围的左侧小区域流体的流动十分强烈，右侧区域结构的不规则性使得流动更为复杂，出现了明显的漩涡，且湍流强度要更大。４）对比同一参考面上４个不同模型的流场图图１１所示的流场图，是分别对４个模型截取同一位置的参考面所获得的。模型Ａ、Ｂ的流场反映了湍流和层流两种流态的不同流动特征，而模型Ａ更加符合实际的流动现象。模型Ａ、Ｃ中可更清楚的看出，模型Ａ的流场较模型Ｃ的流场更加复杂，流线之间互相影响。模型Ａ、Ｄ中，模型Ｄ的结构更加不规则，使得流动更加复杂，换热效果更好。因而模型Ｄ换热效果强于其它３种模型。３　结论１）对上述４种不同结构模型进行比较得出，Ｃ型管换热器是最优的结构方案。２）考虑到非能动余热排出热交换器的传热管内外温差较大，且流动较复杂，选用湍流模型计算更为合理。传热管位置的不对称性，引起左右两侧传热和流动的不对称性，使得流体相互影响，增强了自然对流作用。３）传热管的形状由直管变为Ｃ型弯管，结构的复杂性一定程度上增强了流体温度分布和流动的不规则性，使得湍流强度增加，致使换热效果得到改善。通过传热管位置和形状不同产生的影响效果的分析，在某种意义上说明了非能动余热排出热交换器的结构布置有利于提高自然循环能力，比较合理。参考文献：略

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