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基子CFD拨术的折流杆换热器的性能分析

点击:1175 日期:[ 2014-04-26 22:06:30 ]
                                   基子CFD拨术的折流杆换热器的性能分析                                          吴金星  魏新利  董其伍  刘敏珊                                     (郑州大学化工学院,河南郑州450002)     摘要:折流杆挟热器是为了避免管束振动而开发的一种新型管束支撑挟热嚣.近年来在固内外得到了广泛应用。但限于挟热器结构的复杂性,其壳程流体的流动和换热细节信息还不甚清楚。为了进一步掌握折流杆对壳程流体的强化传热机理,基于CFD技术研究了折流杆换热器壳程流体流动和传热性能,为折流杆换热器的结构优化提供了理论依据。     关键词:挟热嚣f折流杆支撑f流场f温度埽fCFD技术     中图分类号:TQ051.5 文献标志码:A 文章编号:1005—2895(2006)02—0061.03     0 引 言     当前节约和回收能源对国民经济的发展具有重要意义。换热器是回收热能的主要设备,其中常用的是折流板换热器,但是在较大的雷诺数下常常由于管束发生流体诱导振动而失效。为此,美国菲利浦公司L1 开发出了折流杆换热器,用折流杆构成的折流栅代替折流板支撑管束,使换热器壳程流体由传统的横向冲刷管束变为纵向冲刷管柬,不但有效地控制了雷诺数较大时管束流体诱导振动,而且大大地减小了壳程阻力,提高了传热效率,制造成本也得到了降低。因而折流杆换热器已广泛应用于化工、炼油、轻工和能源动力等行业。然而,由于折流杆换热器结构本身及流体运动方程的复杂性,壳程流体流动和传热的细节信息难以获取,折流杆支撑对壳程流体的强化传热机理还不十分清楚,这直接影响了折流杆换热器的结构完善和性能提高。     随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术的发展,用数值模拟方法能直观地得到换热器壳程内速度、压力和温度等参数分布情况,其结果可用于分析换热器性能和优化设计。该方法还具有周期短、费用低、重复性好等优点。国内、外学者对换热器的数值模拟主要针对折流板支撑的换热器壳程流体横向流动,用多孔介质模型研究壳程的总体流场特性,而过于简化了换热器的物理模型,模拟结果反映不出换热器内换热管之间、换热管与支撑及壳壁之间的局部细节信息。本文根据折流杆换热器的结构特点,对壳程湍流流动状况进行合理简化,用液体介质—— 水作为壳程流体,用CFD方法研究换热器壳程内湍流流动状况和传热性能。     1 换热器CFD分析方法     1.1 几何和物理模型     折流杆换热器壳程的进出口附近流体仍然横向冲刷管束,壳程流体主流很快转变为纵向冲刷管束,并达到充分发展。当流体横掠折流杆时流动状态发生波动,由于多排折流杆的纵横交错排列而使流体形成三维湍流流动。按照壳程流体的流动状态,折流杆换热器壳程可分为3个流动状态段,即进口段、出口段和周期性充分发展段,如图1所示。所谓周期性充分发展的流体流动和换热,是指所有流动和换热特性都随着流道的几何周期变化而呈周期性变化,即流体流动和换热过程中各物理量沿流动方向呈现周期性的特性。设流道的几何周期长度为,则流体流动的速度分量存在如下关系。                                           ui(r)=ui(r+L)=ui(r+2L)=....... (1)     式中r表示速度矢量的方向     对于粘性流体,压力沿流体流动方向不具有周期性。但沿流动方向每个周期的压力降△P相同                 △P=P(r)一P(r+L)=P(r+L)一P(r+2L)=.........     (2)     在周期性充分发展流动的流道内,温度沿流动方向不具有周期性。但当管壁为恒热流通量时,沿流动方向的流体温度梯度△T具有周期性。即                折流杆换热器一般采用正方形布管[1] 根据壳体中换热管布置的对称性,可取4根管所包围的流体流动空间为一个“单元流道”,如图2所示。所有相邻的4根管子把壳程分隔为形状相同、平行布置的多个“单元流道”(壳体边界附近除外),单元流道在壳体中的分布可看作均匀的。这样,单元流道的流场可代表换热器壳程的主流场。管壁对单元流道中的流体有2种影响:一是管壁对流体的粘滞作用,造成粘性压降;二是换热管通过管壁面与流体进行对流换热。为简化计算,假设:(1)每2根管子之间的单元流道流体边界为对称边界,即各单元流道之间流体的流动和换热互不影响;(2)不考虑壳程进、出口段的影响,即取换热器壳程的周期性充分发展段为研究对象;(3)流体的热物性参数不随温度和时间变化;(4)流体为不可压缩且流动为稳态;(5)管壁温度恒定,忽略重力影响。                        1.2 边界条件及模拟方法     根据折流杆换热器的几何和物理模型,单相不可压缩流体的湍流流动和传热控制方程采用时均的连续方程、动量方程和能量方程。在数值计算中,采用标准k-e两方程湍流模型,用SIMPLE算法解决压力和速度的耦合关系,单元流道的固体边界实施壁面函数法,用有限容积法求解控制方程。     设换热管为Φ25 mm×2.5 mm,管中心距Pt=32mm,取单元流道的一个周期长度L=160mm,流道内相邻两根折流杆的间距分别取Lr=80 mm,杆径,r=6mm,分别沿水平和垂直2个方向交错布置。单元流道的边界条件是:(1)壳程介质为水,进口温度为T=300 K;(2)管壁温度为恒值,即Tw=400 K;(3)取流体进口质量流率为M=0.2 kg/s;(4)固体表面采用无滑移边界条件。     2 模拟结果及讨论     2.1 速度场     按照上述物理模型和数值方法,模拟得到了一个周期性单元流道内的流场、压力场和温度场。图3为单元流道一个周期内X=0纵截面上速度场分布,图中圆形和长方形空白处为折流杆所在位置。可见,折流杆分别沿水平方向和垂直方向把单元流道内的流体进行了切割和分流,因而破坏了流体的稳定性和连续性;由于折流杆所在横截面的流通面积变小,在杆的两侧产生高速区,而折流杆的背流面则出现滞留区。高速流体直接冲刷管壁表面的液体边界层,促进了流体与管壁的对流换热。从图4流体的湍流强度场分布可以清晰发现,在折流杆的周围流体湍流度最大,杆的纵横交错布置使流体多次被分割和交汇,流体的湍流度越来越大,壳程内形成复杂的三维湍流流动。这对强化传热非常有利,但同时也会增大流道内的压力损失。从不同的横截面图可以看出,在每根杆的迎流面前面,与杆轴线平行的前部流体湍流度较小,杆两侧区域流体湍流度较大;而在杆的背流面则正好相反,与杆轴线平行的后部流体湍流度较大,杆两侧区域的流体湍流度较小。通过对不同杆距流时流体流速分布对比可以发现,小杆距比大杆距时流体湍流度大,但从压力分布可以发现,小杆距时压力降增大幅度也更大。                   2.2 压力场     单元流道纵截面上的压力场分布如图5所示。在单元流道中,折流杆的阻挡作用使得其迎流面形成高压区,促使流体加速向两侧流动,正好冲刷管壁面,这是折流杆强化传热的主要因索。通过2个纵截面对比可以发现,流体掠过每一根杆后,不论杆是垂直放置还是水平放置,与杆垂直的所有纵截面内压力场相同,与杆平行的纵截面内压力场也一致。由于单元流道几何结构的对称性,使得流体压力场的分布也具有对称性,并且沿整个流道流体的压力降具有周期性。                                   2.3 温度场     图6为单元流道的一个周期内x=0纵截面和3个横截面上的温度场分布。在恒壁温条件下,单元流道内的流体温度沿流动方向逐渐升高,z=-0.06 m横截面位于流道进口附近,因而截面上流体温度变化不明显,只有靠近壁面附近流体温度略升高;但折流杆却使得z=0 m横截面上周边区域流体温度迅速升高,中心的低温区显著减小,即截面上边界处和中心区域的温差变小;当流体掠过下一根折流杆后,在z=-0.06 m横截面上,流体温度又发生一次飞跃性的提升,截面中心低温区几乎消失,横截面上流体温度更趋于均匀。看见,折流杆对强化单元流道内的流体对流传热起着关键作用。流道内折流杆的扰流作用提高了流体的湍流度,冲刷并减薄了管壁表面的液体边界层,减小了对流换热热阻,因而提高了流体的对流换热强度。     3 结 论     为充分掌握折流杆换热器壳程介质为液体时的流动和传热特性,对壳程结构和流体流动状况进行了合理简化,提出折流杆换热器壳程数值分析的几何和物理模型,基于CFD技术模拟得到了折流杆换热器的流场、压力场和温度场分布。尽管折流杆换热器壳程结构复杂,但数值结果能清晰地预测其流场、压力场和温度场的细节分布信息,揭示了折流杆对流场和温度场的影响起了主要作用。由模拟结果可见,折流杆对流体的切割、分流改变流体流动方向,产生对流体的干扰作用,提高了壳程流体的湍流度,从而强化了壳程流体的对流传热。数值分析为研究折流杆换热器提供了较好的手段,为其结构优化和性能提高提供了理论依据。
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