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折流杆换热器数值模拟以及性能分析点击：2172 日期：[ 2014-04-26 21:53:43 ] |
| 折流杆换热器数值模拟以及性能分析 严良文,潘 雷,阚树林 (上海大学机自学院,上海 200072) 摘要：在PHOENICS-3.5.1程序的基础上,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理换热器内的管束。用分布热源考虑管侧流体对壳侧流体的影响,通过编写相应的程序,采用数值模拟的方式求出了折流杆换热器壳程压降和传热系数。与实验结果比较表明,壳侧压降的绝对偏差在5%以 内,传热系数的绝对偏差在8%以内,能够满足工程设计要求。在此基础上,分析了折流栅的有效流通面积和间距对折流杆换热器综合性能的影响,并将这2个参数引入到准数方程式中,得到了折流杆换热器的准数方程式,为获得折流杆换热器的整体性能提供了一种低成本的研究方法。 关键词：折流杆换热器;数值模拟;性能分析;准数方程 中图分类号：TQ 021.3; TQ 051.502 文献标志码：A 文章编号：1000-7466(2009)03-0039-05 为了获得换热器的整体性能,必须将生产出的换热器应用到实验测试系统中,对其进行性能测试。这种方法简单直接,针对性较强,但实验费用昂贵,尤其是考虑结构参数变化对其性能的影响时,必须制造许多不同尺寸的结构部件,费用更高。因此,有必要寻求另一种研究换热器性能的方法。随着计算机计算模型的日趋完善和计算机运算能力的增强,换热器性能的数值研究成为可能[1~3],国内一些学者应用不同的软件对换热器性能做了有益的探索,取得了不少成果[4,5]。笔者以流体计算商用软件PHOENICS-3.5.1为平台,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理折流杆内管束,用分布热源考虑管侧流体对壳侧的影响,选用工程上广泛采用的湍流模型编写相应的模型程序,对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行了模拟,目的在于获得折流杆换热器的准数方程式,为折流杆换热器的结构设计寻求一种低成本的研究方法。 1 多孔介质模型下的守恒方程 多孔介质模型就是将流体、固体划入同一个控制体[6,7],通过对守恒方程的修改来表征固体的影响。用体积多孔度,即流体体积与整个控制体体积的比值表示固体构件对控制体内流体体积的影响;用表面渗透度,即流体表面与控制表面的比值表示固体构件对控制体表面作用力的影响。而固体构件带来的动量及能量交换的影响在方程中引入分布阻力和分布热源来表示。 1.1 质量与动量守恒方程[8] 三维流体的质量守恒方程为: 三维流体的动量守恒方程可以表示为如下的基本形式: （2） 式中,u、v和w为壳侧流体的平均速度分量,m/s;t为时间,s;p为流体的压力,Pa;ρ为流体的密度,kg/m3;fx、fy、fz分别为x、y、z方向上的分布阻力系数;μeff为等效动力粘度,Pa·s。 各式中的雷诺数Re由各速度分量、管子外径及动力粘度算出。 1.2 能量守恒方程[8] 对于管侧,可以认为是一维流动,因此能量方程中只有对流项,即: 2 换热器数值模拟研究 2.1 湍流模型 当前使用的湍流模型很多,笔者选择在工程上广泛采用的标准κ-ε湍流模型[9],相应的模型常量为σK=0·75,σε=1.3,σμ=0.09,C1=1·44,C2=1·92,σT=1·0。 2.2 结构参数及网格划分 文中数值模拟的折流杆换热器的固定结构参数为,壳体内径Φ257 mm,换热管尺寸Φ20 mm×1·65 mm×6 000 mm。可变参数为换热管数目、管间距、折流栅间距和折流栅有效流通面积B(折流栅的最大流通面积与壳程截面积之比)。 y-z方向整个换热器被分成21×21×201的非均匀网格,见图1。网格总数为88 641 ,单元数为80 000。 2.3 计算方法 数值计算中,压力与速度的耦合计算采用SIM-PLE方法,整场求解控制方程,由于变量之间为强烈的非线性关系,因此迭代求解选用亚松弛。方程迭代的初始值均为0。数值计算中的收敛标准是,整个求解区域节点的能量方程源项的相对残差最大绝对值小于10-5,其余的相对残差最大绝对值均小于10-3。壳体壁面取无滑移、绝热边界条件。 2.4 实验验证 对管间距26 mm,换热管数目为60根,折流栅间距160 mm,折流栅有效流通面积为0.367 7的换热器进行了模拟,并与中试实验换热器实验结果进行了比较[10],计算条件为壳侧Re分别为16 641、22 483、31 099、39 594、49 515。壳侧进、出口总压降以及传热性能计算值和实验值的比较结果见图2,其中壳侧总压降最大偏差的绝对值小于5%,传热性能最大偏差的绝对值小于8%,两者吻合较好。 2.5 结构参数对整体性能的影响 笔者应用上述模型,通过改变换热器的主要结构参数,如换热管的排列方式(即改变B)、折流栅的间距L和换热管的长度L′,得到了如图3~图10所示的关系曲线。图中De为壳侧纵流介质的流道当量直径,Di为壳体内径。 从图3可以得出努塞尔数Nu随Re的变化规律,求出直线斜率为0.98;从图4可以得出Δp随Re的变化规律,求出直线斜率为0.75。图5在双对数坐标下示出了Nu随B的变化规律,可以求出其直线斜率约为-0.55;图6在双对数坐标下示出了Δp随B的变化规律,可以求出在不同的Re下其直线斜率平均约为-1.80。 图7在双对数坐标下示出了Nu随L/De的变化规律,Nu与L/De在双对数坐标系上呈良好的线性关系,可以求出在不同的Re下其直线斜率基本相同,约为-0.34;图8在双对数坐标下示出了Δp随L/De的变化规律,Δp与L/De在双对数坐标系上呈良好的线性关系,可以求出在不同的Re下其直线斜率变化不大,平均约为-0.55。 从图9中可以得出,在不同Re下,Nu随L′/Di的变化规律基本一致,在双对数坐标系下都呈良好的线性关系,其直线斜率为0.015。从图10可知,管束长径比对流动阻力的影响在双对数坐标图上呈线性变化,其直线斜率为0.983。 式中,Pr为普朗特准数;μ为粘度, Pa·s;λ为流体的导热系数,W/(m·℃);μw为壳侧流体在管壁温度下的粘度,N·s/m2;α为壳侧流体的传热系数,W/(m2·℃);u为壳侧流体的平均流速,m/s;qm为壳侧流体的质量流量,kg/s;A为壳侧流体的最小流通面积,m2;Δp为壳侧流体的总压降,Pa。 3 结语 通过编制程序,在PHOENICS软件平台上建立了模拟折流杆换热器的三维流体流动计算模型,与实验数据的对比表明该模型能够较好反映折流杆换热器的性能特性。应用数值模拟方法,对影响折流杆换热器性能特性的因素进行了分析,得到了折流杆换热器传热和流体流动阻力无因次方程式。 参考文献: [1] 孔松涛,董其伍,刘敏姗.换热器壳程三维数值模拟及场协同分析[J].石油机械,2006,34(10):16-18. [2] 严良文,王志文.折流杆换热器壳程流场和温度场的数值模拟及场协同分析[J].石油化工设备, 2006,35(5):12-15. [3] 郭崇志,梁泉水.折流杆换热器数值模拟新方法[J].化工进展,2007,26(8):1198-1200. [4] 董其伍,刘敏姗,赵晓冬.杆栅支撑纵流壳程换热器壳侧流体流动与传热的数值模拟[J].化工学报,2006,57(5):1073-1078. [5] 吴金星,董其伍,刘敏姗,等.折流杆换热器壳程湍流和传热的数值模拟[J].高校化学工程学报,2006,20(2):213-216. [6] 林瑞泰.多孔介质传热传质引论[M].北京:科学出版社,1995. [7] Bear J.多孔介质流体动力学[M].李竞生,陈崇希,译.北京:中国建筑工业出版社,1983. [8] Zarko Stevanovic,Gradimir Ilic,Nenad Radojkovic,et al.De-sign of Shell-and-Tube Heat Exchangers by Using CFD Tech-nique———Part one: Thermo-Hydraulic Calculation [J]. Me-chanical Engineering,2001,8 (1):1091-1105. [9] 陶文铨.数值传热学(第二版)[M].西安:西安交通大学出版社,2001. [10]严良文,王志文.波形折流杆换热器的工业实验研究[J].华东理工大学学报,2004,30(4):118-120.(张编) |
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