蒸汽换热器
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CFD仿真分析在换热器设计中的应用点击：2155 日期：[ 2014-04-26 22:06:01 ] |
| CFD仿真分析在换热器设计中的应用 邱雄飞,毕新刚,刘盛田,翟悦 (中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027) 摘 要: 用于化学激光器尾气降温的换热器对流动阻力要求非常苛刻,因此本文用CFD方法对换热器初步 设计方案的可行性进行验证。建立了换热器CFD计算模型,采用标准k-ω两方程湍流模型对换热器的湍流流动和 换热进行了仿真计算。仿真结果表明,压力降远低于允许值,初步设计方案可行,但是换热效果稍差,建议适当减小管 间距,既充分利用流动阻力的许用值,又增强换热效果。 关键词: CFD;仿真;换热器 中图分类号: TF066·2 文献标识码: A 文章编号: 1672-7649(2008)06Z-0304-04 DOI:10·3404/j·issn·1672-7649·2008·06·072 0 引 言 换热器是工业常用的热交换设备,传热计算是换 热器设计中最重要的环节之一。目前,换热器的传热 设计主要依据从试验总结出来的经验关联式。由于 试验工况有限,因此各种关联式都有一定的适用范 围,很多特殊的工况往往找不到合适的关联式来进行 计算。此外,采用关联式进行计算只能得到平均值, 无法得到各项参数在时间和空间上的分布。因此,一 些设计中的潜在缺陷往往到试验阶段才会被发现,不 仅存在安全隐患,而且往往也随之造成较大的经济损 失。计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics, 简称CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的一门独立学科,它通过计算机数值计算和 图像显示的方法,在时间和空间上定量描述流场的数 值解,从而达到对物理问题研究的目的。CFD分析 方法可以获得整个流场的数值解,有助于预先发现设 计中的潜在缺陷。 为了对化学激光器高温燃气进行降温冷却需要 采用换热器,但是对换热器的流动阻力要求非常苛 刻。为了验证初步设计的可行性,并最大限度地降低 换热器的流动阻力,提高换热效果,本文采用CFD分 析方法,建立了燃气侧的CFD计算模型,应用CFD 软件Fluen,t进行了仿真分析,获得了燃气侧的整个 流场的参数分布,并根据仿真分析结果对初步设计方 案中换热管的布置提出了改进建议。 1 换热器仿真模型的建立 1·1 已知条件 化学激光器排出的燃气压力低于1个大气压,燃 气速度较高,具有一定的可压缩性;燃气温度较高,与 换热管之间的温差较大。以上工况与关联式要求的 工况有一定的差异,难以找到非常合适的关联式来进 行燃气侧的传热计算。在初步设计中,选用了工况相 对接近的一个关联式来进行传热设计。燃气参数如 表1所示。 换热器的初步设计方案:列管氏换热器,换热管 沿燃气流动的垂直方向布置,正三角形排布,换热管 材料为黄铜。冷却介质为水,水在换热管内流动,燃 气在换热管外流动。换热器尺寸参数如表2所示。 1·2 几何模型的简化 在实际仿真计算中,由于受到计算机硬件和其他 方面的限制,很难对1台完整的换热器建立计算模 型,因此需要对几何模型进行适当的简化,选取最能 代表换热器特征参数变化规律的区域进行分析求解 本文是针对换热器的换热管排布进行优化设计 因此选择了换热管长度方向的中间截面来进行仿真 分析。简化后的二维计算几何模型如图1所示。其 中edge2为燃气入口,edge4为燃气出口,edge1和 edge5为壳体壁面,edge3为换热管。 1·3 模型建立及网格划分[1] 由于截面图形较为简单,直接采用建模工具 Gambit软件建立几何模型,并进行网格划分。在燃 气侧,换热主要集中在换热管附近,该区域内温度、压 力、速度等参数梯度较大。由于换热器的外形尺寸和 换热管直径相差悬殊,要捕捉到换热管附近的流动和 换热,就要求该区域内的网格尺寸足够小。如果采用 统一的网格尺寸,那将导致网格数量急剧增大,加大计算的工作量。而在远离换热管的区域采用非常细 密的网格也是没有必要的。为此,利用尺寸函数 (sizefunction)工具[2]进行网格划分。使用尺寸函数 后,在设定的最大作用区域内,某一点的网格尺寸与 该点离尺寸函数作用的边(或者是点、线、面等)的距 离成负指数关系。在划分网格之前,将尺寸函数作用 于所有代表换热管的边edge3。采用较稀疏的尺寸 进行网格划分,划分出来的网格只在紧贴换热管附近 区域较为细密,在远离换热管区域较为稀疏,如图2 所示。这既能捕捉到换热管附近较高梯度的温度、压 力、速度等流场参数变化,又不至于明显加大计算工 作量。 1·4 求解器参数与边界条件设定 燃气的可压缩性不可忽略,为此选用Density based求解器。由于燃气侧雷诺数较低,因此采用了 standardк-ω湍流模型,考虑了过渡流状态、可压缩效 应以及剪切效应。已知条件中只包含入口总温、总 压,缺少出口压力条件(这需要由计算来获得)。因 已知质量流量,为此采用了Fluent提供的target-mass-flow-rate工具[5]。采用该工具后,将出口边界设定为 压力出口,设定燃气的目标质量流量为换热器燃气侧 的真实质量流量。先估计燃气流过换热器的流动阻 力,从而获得出口压力,作为出口压力边界条件的初 始设定值。fluent求解器根据设定的初始出口压力进 行计算,得到一个对应于设定出口压力的质量流量, 将该质量流量与设定的目标质量流量进行比较,并根 据偏差按式(1)自动调整出口压力,直到计算得到的 质量流量与设定的目标质量流量的差值低于1个足 够小的值为止。 2 仿真结果分析 将gambit划分后的计算网格导入Fluent中,并 按上述湍流模型和表3所示边界条件进行设定,使用 Fluent5/6求解器进行求解计算直至收敛。 换热管附近的流线分布如图3所示,可以发现在 换热管正后方存在一个充满漩涡的尾流区。该细小 区域内的剧烈流场参数变化已经被捕捉到了,证明采 用sizefunction划分后的计算网格已经足够细密。 温度场分布云图如图4所示,可见换热管的影响 图4区域限于换热管后面如火焰状的一个区域。在 该区域内燃气温度明显降低,而通过换热管之间间隙 的燃气温度则没有得到明显降低,需要由下游换热管 来继续冷却。因此,沿edge4方向,如火焰状的换热 管影响区域与非影响区域交替出现,影响区域内温度 较低,非影响区域内温度较高。由图4还发现,从换 热管与壳体壁面之间间隙通过的燃气温度降低得较 小,因此,在满足设计要求的前提下,换热管离壳体壁 面的距离应设置得尽量小,以减少从该区域流过的燃 气量。换热器出口燃气温度沿edge4方向几乎成周期性的上下振荡,如图5所示。燃气通过换热器后的 进出口平均温差为224·5K。周期性振荡的出口温 度说明换热管对气流的扰动不够强烈,管间距选择 过大。 由于受换热管绕流的影响,在换热管正后方燃气 流速达到极小值,而在换热管之间的间隙处燃气流速 达到极大值,同样沿edge4方向呈周期性的上下振 荡,如图6所示;出口压力波动不大,如图7所示。燃 气通过换热器后的压差约为60Pa,流动阻力较小。 3 结 语 1)仿真结果表明,换热器的流动阻力约为60 Pa,远低于允许值,因此换热器初步设计方案可行。 但是,尾气进出口温差仅为224·5K,换热效果稍差。 2)初步设计中换热管的间距较大,换热管的绕 流不够强烈,影响区域小,流动阻力较小,这也是换热 效果差的重要原因,传热系数还有进一步增大的空 间。建议适当减小换热管的间距,增加每一排的换热 管数量,既强化换热,又充分利用流动阻力的允许值。 3)从换热管和边壁之间间隙通过的燃气温度降 低较小,在满足结构设计要求的前提下,应尽量减小 换热管离边壁的距离。 参考文献: [1] 韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT:流体工程仿真计算机 实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004. [2] FluentInc.Gambit2·3TutorialandUser sGuide[Z]. 2006. [3] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社, 2005. [4] 王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应 用[M].北京:清华大学出版社,2004. [5] FluentInc.Fluent6·3TutorialandUser sGuide[Z]. 2006. |
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