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轴流管壳式换热器壳侧流体优化分布数值研究点击：1967 日期：[ 2014-04-26 21:14:23 ] |
| 轴流管壳式换热器壳侧流体优化分布数值研究 曾文良1,2,张复兴1,王剑秋1,邓先和2 (1·衡阳师范学院化学与材料科学系,湖南衡阳 421008,2·华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州 510640) 摘 要：针对大型、超大型轴流管壳式换热器壳侧流体的流动分布不均的问题,提出在进出口处增加流体分布挡板用以改进流体分布不均的现象。并且在此之前的理论研究基础上,采用多孔介质———分布阻力模型,对不同结构参数的流体分布挡板进行数值模拟研究,研究结果表明,在壳侧进出口安装流体分布挡板能够有效促进流体的均匀分布,理论分析的数学模型与数值研究结果表现为一致,通过几种不同的结构参数分布挡板的数值结果对比,表明采用第三种结构形式的挡板不但流体分布均匀,而且由于挡板存在所造成的压力损失最小。 关键词：轴流管壳式换热器;流体分布;数值模拟;多孔介质模型 中图分类号：TQ021·3 文献标识码：A 文章编号：1673—0313(2009)03—0065—05 1 前 言 随着工业生产装置的大型化和超大型化的发展,对工业过程的通用设备———换热器,同样提出了大型化和超大型化的要求。由于换热器的传热管长度L一般是由生产工艺条件决定的,而换热器的壳体直径D是由生产能力决定的,随着换热器直径的增大,换热器的L/D将减小,流体在换热器壳程流动分布将变得不均匀,不但降低换热器的传热性能[1-2]、而且容易诱发管束振动[3]、以及壳程压降急剧增大。针对大型轴流换热器存在的问题,邓先和与张亚君[4]提出了采用平行多通道的进出口结构,能够有效降低壳程阻力损失,但是依然存在流动速度分布不均匀问题,曾文良[5]提出采取在换热器壳程进出口安装流体分布挡板的办法予以解决,并且通过理论分析了建立了流体分布挡板的数学模型。为了进一步验证数学模型的正确性与适用性,将采用数值方法对流体分布挡板的流体分布进行研究,以达到工程应用的目的。 由于换热器壳程的结构复杂性,使得壳程内流体流动变得异常复杂,因此目前条件下对换热器壳程流场的数值模拟无法采用直接方法进行,唯一可行的方法就是S.V Patankar和D.B.Spalding[6]提出的多孔介质———分布式阻力模型。有关多孔介质———分布阻力模型的应用研究,近二十年来国内外学者均做了较多的探索工作[7-12],但是到目前为止,还很少有关大型轴流管壳式换热器,特别是进出口流体分布挡板的研究。本研究就是在这一背景下提出来,采用多孔介质———分布式阻力模型,对一种新型的并流多通道进出口装置的大型轴流管壳式换热器的流体分布挡板进行数值研究,从而验证作者以前建立的数学模型的正确性。 2 物理模型 2.1 物理模型的简化 由于大型、超大型轴流换热器采用平行多通道进出口结构形式,使得流体在进出口段横穿管束数量显著减少,平行多通道进出口结构的截面如图1所示,为了更加简明表达要研究的物理模型,选取图1中典型的单元区域来进行相关的研究,这里研究对象可以简化为以长方形的轴流换热器,该换热器由4×9根规格为φ25×2.5×1000 mm的传热管组成,传热管为30×30 mm的正方形排列,换热器平面图见图2。 2.2 数值模型几何参数的简化 在文献[5]中作者推导了正方形管束排列条件下,流体分布挡板数学模型的优化开率、速度分布以及在x方向、x-z方向、以及z方向的阻力分布分别为: 以上各式中:A(n):分布挡板的开孔率;Ax,Az分别为x方向、z方向的流通面积;ξ1,ξ2,ξ3:分别为x方向、x-z方向、z方向的阻力系数;u1(n):速度分布函数;Δp1(n),Δp2(n),Δp3(n):分别为x方向、x-z方向、z方向的阻力分布函数;N:总管排数;n:管排数变量。 当流体处于完全湍流下,x方向、x-z方向、以及z方向的局部阻力损失系数基本为常数,局部阻力系数的具体计算方法参考文献[10],将物理模型的几何结构参数、操作参数一起代入式(1),将可以计算得到流体分布挡板的理论开孔率。 为了便于比较与分析,并考虑到模型的建立与网格生成,这里选取的三种不同规格的开孔率,则对应三种形状的流体分布挡板,它们分别为(1)整个挡板采取完全相同的开孔率,其开孔率为数学模型计算值的加权平均;(2)分布挡板的开孔率沿x流动方向成线性关系;(3)在同一流体分布挡板上沿x流动方向选取三种不同开孔率,其开孔率同样为数学模型计算值在对应区域内的加权平均。以上三种结构形式的挡板分别简称为挡板1、挡板2、挡板3。其具体开孔率见表1。 3 数学模型与方法 3.1 多孔介质———阻力分布模型下壳程流体控制方程在直角坐标体系中,以多孔介质特性参数的传递过程控制方程,可以统一表示为: 式中:η:容积多孔度;:控制方程的通用变量;Γ:广义扩散系数;S:广义源项;U:速度向量;ρ:流体的密度。对于不同的,起对应的Γ、S的表达形式见表2。 上表中,μ、μe、μt:分别为流体粘性粘度、等效粘度、湍流粘度。 Rx、Ry、Rz、Rk、Rε:分别为u、v、w、k、ε的附加源项,具体计算方法参考文献[7-9]。 3.2 数值方法 问题的简化和假设:(1)流体为常物性稳态流动,无内热源;(2)流体进出系统的压力变化较小,近似为不可压缩流体;(3)多空区域内流体流动已经充分发展。 边界条件:(1)管壁及支撑物壁面满足无滑移边界条件; (2)流动介质为常物性空气;(3)给定速度入口,压力出口边界,给定不同Re下的流速,和出口压力为0(表);(3)分别定义一般流动区域和多孔介质区域;(4)多孔区的源项,选用采用C语言编制的UDF程序。 数值方法:(1)网格划分采用分体网格,并对进出口和挡板进行加密处理;(2)采用重整化k-ε湍流模型;(3)采用SIMPLEC算法进行压力和速度的耦合;(4)控制方程源项为c++编写的FLUENT6.2 UDF程序;(5)计算过程中,各物理变量的残差控制在<10-6。 4 结果与讨论 4·1 速度场的分布 图3是对称剖面(Y=0)上的速度等值分布云图,为了比较不同结构的流体分布挡板,以及无分布挡板等几种状况下的速度分布。通过图3-a可以看出,在无分布挡板的条件下,速度分布表现为严重的不均,并且存在大量的流动死区,特别是在进出口段,流动死区现象表现非常严重;从图3-b~c可以看出采用流体分布挡板,能够有效促进速度分布均匀,比较各种三种不同结构形式的分布挡板,不难发现,挡板2尽管比无挡板情况下有很大的改善,但是与挡板1和挡板3存在较大的差距,如果仅通过图3无法判断挡板1与挡板3中的哪一个更能有效促进流体的流场分布,因此以下将从壳程流体的速度概率分布和压降两个方面的研究结果来进行分析。 通过对数值模拟结果进行相应的统计处理,可以得到不同条件下Z(轴向)方向流动速度概率分布如图4所示,统计结果见表3。从图4可以很明显看出,在无分布挡板的情况下,其速度概率分布曲线接近全混流状态,由此可见在没有分布挡板情况下,速度分布不均是非常严重的。然而相比之下挡板1与挡板3具有较大的相似性,其分布曲线都接近正态分布,但是挡板3的均方差明显小于挡板1,这说明挡板3更加接近活塞流,也就是说在挡板3的流动状态下,流体的轴向返混更少发生。表3统计数据也表明挡板3比挡板1更有利于流体的速度分布均匀。 4.2 压降分析 图5是各种不同结构的挡板以及无挡板条件下,换热器进出口之间的压降与入口流动速度的关系曲线,从图中可以发现,无挡板情况下阻力损失最小,这一点无需做任何解释对于三种不同结构的挡板,也很容易发现挡板2与挡板3的总压降基本接近,挡板3在高速区域稍低点,而挡板1的压降基本是挡板2和挡板3的一倍以上,如果单从压降看,挡板3的压降性能最为优越,结合前面的速度场的分布,综合分析认为采用挡板的综合性能最优,这与挡板3的最初设计思想是一致的,为了更好分析以前所建立的数学模型的准确性,下面将从进口段的速度分布与压降分布关系,进一步比较数学模型与数值模拟结果的吻合程度。 4·3 模拟结果与数学模型的比较 在入口中心区域(Z=-0.425m)截面上,将截面速度和压降分布分别沿Y方向进行加权平均,加权分别作出图6和图7的曲线。图6是不同结构的挡板在进口(Z=-0·425m)截面上沿X(横向冲刷)方向的压降分布曲线比较,从图中可以看出挡板3非常接近理论结果,但是具有交叉点,而挡板1却与理论结果相差较远,这主要是因为挡板1是按照理论计算平均值进行设计的,而挡板3是按照理论计算值在三个不同区域内进行平均而设计的,因此单从X方向的压降分布,可以得出有关X方向压降的理论分析模型是完全正确的,而且挡板3更接近理论模型。 图7是不同结构的在Z=-0.425m截面上沿X(横向冲刷)方向的速度分布曲线,从图中可以看出挡板1和挡板2均比较接近理论分析结果,挡板3尽管与理论分析结果具有一定的偏差,但是偏差不是很大,这与前面压降分布的结果不相一致,但是总体上可以看出理论模型与数值模拟结果是比较接近的。 4·4 结论 通过对平行多通道轴流管壳式换热器壳程进出口流体分布档板的数值研究,得出如下结论: 1.从流场分布研究结果表明,分布挡板能够有效促进壳程流场分布均匀,且挡板3的分布效果最为突出; 2.通过数值结果与理论模型的对比,研究表明数值结果能够与理论模型较好的吻合,特别是挡板3的情况下; 3.文献[5]中推导的有关数学模型对指导流体档板的工程设计具有较好的指导作用和参考价值。 参考文献：略 |
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