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基于三维实体模型的管壳式换热器壳程流场和温度场数值研究

点击:2116 日期:[ 2014-04-26 21:35:33 ]
             基于三维实体模型的管壳式换热器壳程流场和温度场数值研究                              古 新,董其伍,王 珂                   (郑州大学热能工程研究中心,河南郑州 450002)     摘 要:根据管壳式换热器的结构特点,采用基于管壳式换热器真实三维实体模型的几何建模方案,提出了管壳式换热器周期性全截面计算模型,实现了具有复杂壳程结构的管壳式换热器的数值模拟,克服了现有数值模拟建模方式的一些不足,为再现和模拟管壳式换热器壳程的真实流动状况,以及分析各种构件对壳程流体流动和传热性能的影响提供了良好的辅助手段。在综合考虑折流杆换热器壳程流体流动与传热的多方面影响因素下,提出了对折流杆换热器周期性单元流道模型的修正算法,改进和完善了折流杆换热器周期性单元流道计算模型的实用性和适用性。     关键词:管壳式换热器;周期性;计算模型;数值模拟;修正算法     中图分类号:TK124  文献标识码:A  文章编号: 1001-4837(2008)05-0001-05     管壳式换热器是目前国内外换热设备的主要结构形式,其强化传热性能的优劣对于工业节能具有重要影响。     高效节能过程装备及其现代设计研究方法的开发是当今工程节能的重要手段。高效换热器技术的发展以计算流体力学(Computational Fluid Dynam-ics,CFD)、模型化技术、强化传热技术及新型换热器开发等形成了一个高技术体系[1]。     管壳式换热器的性能是由管程和壳程内流体流动及相互耦合作用决定的,管程内流体的流动与传热可以通过准则关系式进行计算,而壳程中流体的流动与传热特性则要复杂得多,且壳程流体的流动分布状态对换热器的总体性能有重要影响。因此以数值模拟的方式准确地预测管壳式换热器壳程流体的流动和传热特性,对设计高效可靠的换热器以及评价和改造现有换热器的性能是十分必要的。     1·管壳式换热器数值模拟常用模型简介目前主要的管壳式换热器数值模拟建模形式有3种:多孔介质模型、实体模型、周期性单元流道模型。     1. 1 多孔介质模型[2~6]     将壳程的管、挡板、隔板等视为多孔介质,易于从宏观上模拟换热器壳程的流体流动和传热性能。由于该类模型过于简化换热器的内部结构,模拟结果并不能准确反映关键局部区域的真实流动和传热状况等重要细观信息,而且部分重要输入参数与换热器的结构形式、几何尺寸和流经的介质有关,通常通过试验确定,若根据经验来确定这些参数,又不易保证数值模拟的准确性,故在使用范围上有所局限,尤其是进行新型壳程支撑结构的流场和温度场研究时,往往难以应对。     1. 2 实体模型     文献[7]在作出相应简化和假设后,采用了实体模型对纵向流换热器的流体流动和传热特性进行了数值模拟,定性分析了纵向流换热器的流体流动和传热特性,但未给出试验验证用以考核数值模拟的准确性。     1. 3 周期性单元流道模型     文献[8]提出了周期性单元流道模型简化计算方法,可以有效地简化纵向流换热器的数值模拟计算。然而,单元流道模型适用于换热管束和管束支撑结构呈对称分布的某些纵向流管壳式换热器,对于不具备上述结构特征的管壳式换热器,如折流板换热器、螺旋板换热器等,是无法这样简化的;对于壳体直径较小的管壳式换热器,即使符合单元流道对称性的简化要求,由于筒体壁面附近布管区的非规则单元流道内的流体流动和传热与筒体中心主流区的规则单元流道有较大差别,故在这类情况下,单元流道模型模拟结果与实际工况有较大偏差。     2·基于三维实体模型的管壳式换热器壳程流场和温度场数值研究     确定能够描述换热器真实结构和工作状态的数值模拟建模方案,同时兼顾数值计算规模和效率,对客观、准确、详尽地反映换热器内流场和温度场的特性至关重要。鉴于上述建模方式在适用性等方面的不足,文中提出了管壳式换热器周期性全截面计算模型,用于壳程流体流动和传热性能的数值模拟研究。     2. 1 数学模型     基于不可压缩的牛顿型流体,在常物性和宏观热能守恒的假设下,管壳式换热器壳程流体流动和传热必须满足以下3个控制方程[9, 10]。                   2. 2 几何模型     对于典型管壳式换热器几何结构,壳程流道呈周期性变化,且某些类型兼具对称性。壳程沿流体流动方向可以划分为进口段、周期性充分发展段和出口段。一般来说,换热器壳程大部分换热段处于周期性充分发展段,该区域的流体流动和传热性能,很大程度上反映了换热器的整体性能,因此,建立周期性计算模型,是快捷、高效地对管壳式换热器进行数值模拟研究的重要方法。     对于周期性充分发展流动,如果温度变化有限,物性参数不变时,则有周期性的流动特性:                   在对其几何结构作出了一定简化后,可建立典型管壳式换热器的周期性全截面计算模型(由于结构的对称性,建模时取相对称的半个实体即可),如图1所示。     2. 3 计算方法和边界条件                                   采用分块划分、结构化和非结构化网格相结合的方式对模型进行网格划分,近壁节点采用壁面函数法处理,采用标准k-ε湍流模型计算湍流参量的影响;采用分离求解器,控制体积界面的物理量均应用二阶迎风差分格式获取;采用SIMPLE算法处理压力和速度的耦合问题;假定换热管壁恒温,壳程介质为水或空气,物性参数取定性温度下的常量;给定壳程流体的进口质量流量及相应的温度和湍流条件;壳程整体计算模型的进、出口分别为质量进口和压力出口边界条件,周期性模型的进、出口为周期性边界条件;壳体壁面和管束支撑装置采用不可渗透、无滑移绝热边界条件。     2. 4 计算结果与分析     采用周期性全截面计算模型的某管壳式换热器数值模拟结果列于表1。     建立管壳式换热器壳程整体模型并进行计算,提取其各个周期段的相关数据,将这些数据与周期性全截面计算模型的计算结果进行对比,可验证周期性全截面计算模型及其计算结果的可靠性。图2~5所示为管壳式换热器壳程整体计算模型的数值模拟结果。                                   为便于对比,将壳程整体计算模型与周期性全截面计算模型的计算结果列于表2。由表2可见,采用两种计算模型,计算结果的误差相当小。理论分析和数值模拟结果均表明,管壳式换热器数值模拟计算模型的周期性简化是成立的。     3·折流杆换热器周期性单元流道模型计算结果的修正算法     针对上文提及的周期性单元流道模型在适用性方面的一些不足,结合折流杆换热器周期性全截面计算模型,提出了对前者计算结果的修正算法,以进一步发展和完善周期性单元流道计算模型。图6~11所示为采用两类计算模型在同一工况下的计算结果。                                 以常温下水作为壳程介质,壳程当量Re分别取为6000, 10000, 15000,对公称直径分别为200, 300,400, 500和600 mm的折流杆换热器周期性全截面计算模型,在折流栅间距分别为50 mm和150 mm的正方形布管情况下进行研究,分析全截面模型与单元流道模型计算结果的差别,并确定对后者壳程流体对流换热器系数和压力梯度计算结果的修正算法。     可见,随着换热器筒体直径的增加,周期性全截面计算模型的对流换热系数和压力梯度的计算结果越来越与周期性单元流道的模拟结果相接近。故在换热器筒体直径足够大时,采用周期性单元流道计算模型的模拟结果表征壳程流体总体流动和传热性能是有实际意义的,然而筒体直径较小时,周期性单元流道模型的计算结果与实际工况有较大差别,须采用合理方式予以修正。     利用最小二乘法原理,应用多元线性回归对不同直径的周期性全截面计算模型在不同Re下的数值模拟结果进行拟合,再与周期性单元流道模型的计算结果进行对比,可以得到后者的壳程流体对流换热系数和压力梯度的修正关联式分别为:                    4·结论     (1)根据管壳式换热器结构特征,提出了周期性全截面计算模型进行管壳式换热器数值模拟,弥补了现有数值模拟建模方式的一些不足,实现了具有复杂壳程结构的管壳式换热器壳程流场和温度场的数值模拟,为发现和解决管壳式换热器中与局部位置流体流动和传热细节相关的深层次问题提供了良好的辅助手段;     (2)基于管壳式换热器周期性全截面计算模型,在综合考虑折流杆换热器壳程流体流动与传热的多方面影响因素下,提出了对折流杆换热器周期性单元流道模型的修正算法,给出了壳程流体对流换热系数和压降的修正关联式,改进和提高了折流杆换热器周期性单元流道模型的实用性和适用性,为新型纵向流管束支撑结构的开发和以数值模拟方法进行具有工业规模换热设备的传热和流阻性能预估和性能改进,提供了理论与工程应用的依据。     参考文献:略
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