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管壳式换热器模拟中壁面函数选择分析

点击:1877 日期:[ 2014-04-26 22:00:38 ]
                           管壳式换热器模拟中壁面函数选择分析                               董其伍 谢建 刘敏珊 王永庆                               (郑州大学热能工程研究中心)     摘要:为了比较不同壁面处理方法对管壳式换热器壳侧流体流动和传热的影响,建立了折流 板换热器壳侧数值模型,应用大型CFD软件Fluent对其在湍流流动下的流动与传热特性进行数值计算,并将数值计算结果与试验数据进行对比。结果表明,在相同边界条件下,选择不同壁面处理方法,所得计算结果有一定的差别,并且主要差别发生在进口段及折流板附近流体流动发生剧烈变化的区域,但3种壁面处理方法均满足工程计算需要,其中采用增强壁面函数法模拟结果与 试验结果最为接近,能更为准确地计算折流板换热器壳侧复杂流动。     关键词:管壳式换热器 数值模拟 壁面函数 CFD     0 引 言     换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他工业部门广泛使用的一种通用设备。在化工厂中,换热器的投资约占总投资的10% ~20%;在炼油厂中,该项投资约占总投 资的35% ~40%。虽然管壳式换热器在结构紧凑性、传热强度和单位传热面的金属消耗量方面无法与板式或板翅式等紧凑式换热器相比,但管壳式换热器适用的操作温度与压力范围较大,制造成本低,清洗方便,处理量大,工作可靠。长期以来, 人们已在其设计和加工制造方面积累了许多经验, 建立了一整套程序,可以容易地查找到其可靠的设计及制造标准,而且方便地使用众多材料制造,设计成各种尺寸及型式。因此,进一步研究换热器壳侧流动压降和换热规律仍有重大的工程意义。     随着计算流体力学(CFD)的发展和计算机软硬件技术的飞速进步,通过计算机程序来对复杂的流体流动现象进行数值模拟和仿真已成可能。由于数值模拟方法与传统的试验研究方法相比具有许多 无可比拟的优势,所以用CFD方法对换热器进行数 值模拟已成为新型换热器开发研究的一种重要手段。在换热器的数值计算过程中,壁面附近的流动与传热计算结果对整个换热器的数值结果准确性有 着很大的影响。在湍流的计算过程中,通常选用标 准κ-ε模型[1-2]。κ-ε模型只是针对充分发展的湍流才有效,而在壁面附近,流动情况变化很大,特 别是在粘性底层,流动几乎是层流,湍流应力几乎 不起作用,解决这一问题的途径目前有2个。第1个是不求解层流底层和混合区,采用半经验公式(壁面函数)求解层流底层与完全湍流之间的区域;第2个是改进湍流模型,粘性影响的近壁区域,包括层流底层都可以求解[3]。CFD软件Fluent 提供了2种方法对近壁区域流动进行计算。笔者将分析不同壁面处理方法对计算结果的影响。     1 壁面处理函数 Fluent提供了壁面函数和近壁模型2种方法, 包括标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面函 数[1]。     1·1 标准壁面函数                       1·2 非平衡壁面函数     非平衡壁面函数方法是在标准壁面函数法的基础上引入了压力梯度关系。即:                          非平衡壁面函数把壁面函数方法推广到有压力 梯度和非平衡的流动过程中。     1·3 增强壁面函数     增强壁面函数将线性分布的粘性底层和对数率层结合起来:                          2 数值模拟     在管壳式换热器中,挡板与筒体间的漏流以及 挡板与管子间的漏流对整体的压降和传热有很大的影响[4]。笔者建立的模型重点考虑了这部分的影 响,以便更好地考察壳侧内的流场及温度场信息。     2·1 几何模型     笔者使用gambit建立了折流板管壳式换热器壳侧结构化网格模型,并使用Fluent软件进行数值 模拟。换热器总长1 940 mm,筒体内径151 mm, 折流板高110 mm,厚4 mm,直径142 mm,板上 开孔直径为21 mm,折流板间距97 mm;换热管为19 mm×2 mm的管子,正方形排列。根据换热器结构及流动特性的对称性,可以采用对称性边界条件,只建立12模型进行模拟。     换热器壳侧流体介质为空气,试验中管程流体为过量饱和水蒸气,饱和水蒸气在管内等温冷凝放热,传热温度保持恒定。在模拟中,将设置管壁为等温壁面条件。     2·2 网格划分     为保证数值计算精度,划分网格时首先把模型 分割成各个规则的子块,对每个子块先用四边形的 map或者pave划分面,然后再用cooper方式划分 体网格,划分完后的整体模型网格全部是六面体网 格。图1为折流板管壳式换热器网格示意图。                           另外,壁面函数对网格有一定的要求,标准壁 面函数和非平衡壁面函数在管子外表面划1层1 mm的网格,增强壁面函数在管子外表面划10层 0·1 mm的网格。用该方法划分的模型网格质量好, 最差的也仅为0·747 922。同时,产生的网格较三 角形网格数量大大减小。对于壁面函数和近壁模型 2种方法的数值模型,网格单元数分别为286 845、 1 031 260。     2·3 计算参数设置     在数值计算中,湍流模型选用标准κ-ε模型, 近壁面的处理方式分别采用标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面函数。控制方程采用有限体积法离散,压力速度耦合采用SIMPLE算法,压力插补格式选择standard格式,其他项采用二阶迎风格式[5]。边界条件设置如下:入口采用质量入口边界条件,出口选用压力出口边界条件,壁面采用无滑移边界条件,对称面设置为对称边界条件。     3 数值模拟结果与分析     3·1 试验验证模拟结果 为了考察数值计算结果的准确性,对图1所示 的换热器模型进行了流动和传热性能试验。根据试 验模型换热器的结构尺寸,依照试验操作条件,建 立壳程的整体模型,对整体模型进行数值模拟。所 得的模拟结果与试验结果进行对比,结果见表1。 由对比结果可以看出,采用标准壁面函数、非 平衡壁面函数和增强壁面函数3种壁面处理方法, 所得换热器流动和传热均有一定差别。在同样的入 口温度条件下,采用3种壁面处理方法所得的出口 温度与试验的相对误差分别为0·62%、1·39%和 3·06%,得到的压力降与试验的相对误差为 -21·74%、-10·94%和2·16%。由于在数值计 算中没有考虑壳侧污垢及管壁热阻等的影响,所以 温度结果均较试验值偏大。     可以看出, 3种函数计算结果均可以满足一般的工程要求,尤其是对传热的计算, 3种方法计算结果与试验的误差较小。而采用增强壁面函数法计算的压降结果与试验最为接近,但由其对网格的要求,计算量及计算时间增加很大。     3·2 不同壁面处理对近壁网格的要求     Fluent对不同壁面处理近壁网格有一定的要求,采用标准和非平衡壁面函数,不需要在壁面处 加密,只需要把距离壁面的第1个内节点布置在对数率成立的区域内,即配置到湍流充分发展的区域。当与壁面相邻的控制体积的节点满足y*> 11·225时,流动处于对数率层。     折流板换热器壳侧流体流动复杂多变,很难保证所有近壁网格节点都满足y*。如图2所示,y* 在进口处和折流板附近符合得较好,在死区及流速 比较低的区域偏小。采用增强壁面函数,最理想的 网格划分是与壁面相邻的控制体积的节点在y+=1 位置,如果稍微大点,比如y+=4~5,只要位于 粘性底层内,都可以满足工程计算精度要求。理想 的网格划分需要在粘性影响的区域内(Rey<200) 至少有10个网格,以便可以计算粘性区域内的平 均速度和湍流量。对于笔者的计算模型,由图2可 见,y+处于1·5附近,满足要求。                             3·3 不同壁面处理方法对流体流动和传热影响的细观分析 在离壁面很近的地方,粘性力将抑制流体切线方向速度的变化,而且流体流动受壁面阻碍的影响抑制了正常的脉动,对壳侧流体流动和传热有很大的影响。壁面函数的作用是使计算的切应力和热流密度与实际情况基本相符。     图3给出了分别采用不同的壁面处理方法时, 壁面切应力随流体沿纵向流动方向(z)的分布。 在0<z<0·24 m区域,为流体从进口接管流入换热器区域,采用3种壁面处理方法对壁面切应力的影响不大。                        在0·24 m<z<1·75 m区域,即壳程第1块折流板和最后1块折流板之间, 3种壁面处理方法对 壁面切应力的影响较大。在此区域,由壁面切应力的分布可见,与折流板排布的几何周期相对应,壁 面切应力的变化具有周期性,取1个周期进行分 析,即0·289 m<z<0·483 m。     在所取周期内,由于折流板阻碍流体流动,改 变流体流动的方向,使流体横向冲刷管子。所以, 越靠近折流板,流体变化越剧烈,壁面效应越大, 壁面剪切力达到最大。由于管孔与换热管存在间 隙,造成一部分流体从该间隙流过,间隙流道比较 小,所以壁面剪切力比较大。在该区域采用不同壁 面处理时,壁面切应力相差很大,非平衡壁面函数 在标准壁面函数的基础上考虑了压力梯度,可以计 算分离、冲击,表明在该区域采用标准壁面函数处 理可能会产生较大的计算误差。该区域速度梯度比 较大,而增强壁面函数在粘性影响的区域使用 Wolfstein的单方程模型[1],借助于该区域布置的足 够网格,能够对近壁效应进行有效的计算。流经折 流板以后,由于回流和漩涡的存在,湍动量减小, 壁面切应力也随之减小。在该区域采用3种壁面处 理方法,所得结果相差不大,最小值基本接近。随 着临近第2块折流板,壁面切应力达到另一个峰值,但由于折流板缺口对称排布,流动方向相反, 使所取部位峰值较前一块折流板处峰值小。     在0·175 m<z<1·940 m区域,即最后一块折 流板至流体出口区域。在该区域内采用不同壁面函 数,计算所得壁面切应力相差不大。     不同函数计算方法也导致折流板区域内挡板管孔与管子间的漏流量计算结果差别,取与流体纵向流动方向垂直的第5块折流板中间截面进行分析, 该截面总流量包括板管漏流、板壳漏流和缺口流量。3种方法所得结果如表2所示。                            从表中数值可以看出,采用增强壁面函数,板管漏流量最小。从板管环隙泄漏的流量越小,错流流过管束的流量就越大,横掠管束的错流流动对传热最有效[3],从而导致压降和温差增大,这与表1中模拟压降和温差的趋势一致。     由以上分析结果可知,不同壁面处理方法使传 热结果有所不同。采用3种方法所得壁面热流密度的分布如图4所示。                             由图4可以看出,总体上采用3种壁面处理方法所得壁面热流密度的分布相似。在0<z<0·24 m区域, 3种处理方法所得的壁面热流密度均较大,这是由于流体进口温度和壁面温度相差大,换热系数大,壁面热流密度大,流体温度迅速升高, 在该区域增强壁面函数壁面热流密度最小。在 0·24 m<z<2·00 m区域,由于总体上流体温度和 壁面温度之差逐步减小,壁面热流密度减小,最后趋近于0。但在靠近折流板区域,流体发生剧烈变化,湍动加大,减小了边界层厚度,传热得到强化,热流密度变大。在该区域,标准壁面函数和非平衡壁面函数平均温度的壁面法则相同,因此壁面热流密度基本一致,而采用增强壁面函数计算所得热流密度比前两者稍高。     4 结 论     笔者应用CFD软件Fluent对折流板管壳式换热器在湍流工况进行了数值计算,计算过程中对壁面的计算分别采用了标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面函数3种处理方法,并与试验进行比较。分析表明:     (1) 3种处理方法均可满足工程计算需要;在相同边界条件下,选择不同壁面处理方法,所得传热计算结果均与试验相比误差较小,而压力降计算结果与试验相比误差较大,采用增强壁面函数法模拟结果与试验结果最为接近。     (2)基于计算结果,对不同壁面处理方法对流体流动和传热影响进行了细观分析,发现3种处理方法所得结果的主要差别发生在进口段及折流板附近流体流动发生剧烈变化的区域。     (3)非平衡壁面函数考虑了压力梯度以及非平衡流动,而标准壁面函数不能很好地反映折流板附近流体的流动特性,增强壁面函数不依赖壁面法则,能够更为准确地计算折流板换热器壳侧复杂流动,但是对壁面附近计算区域网格有着特殊要求, 对计算机资源要求大,计算处理时间长。     参 考 文 献     [1] Fluent Inc·FluentUser’sGuide[M]·Fluent Inc, 2003·     [2] 陶文铨·数值传热学[M]·2版·西安:西安交通 大学出版社, 2001·     [3] 钱颂文·换热器设备手册[M]·北京:化学工业 出版社, 2002·     [4] 王福军·计算流体动力学分析[M]·北京:清华 大学出版社, 2004·     [5] Dong Qiwu, Wang Yongqing, LiuMinshan·Numerical and experimental investigation of shellside characteris- tics forROD baffle heat exchanger [J]·Applied Ther- malEngineering, 2008, 28: 651-660· 
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