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管壳式换热器数值模拟的流动模型比较点击：1875 日期：[ 2014-04-26 22:13:50 ] |
| 管壳式换热器数值模拟的流动模型比较 熊智强 喻九阳 夏文武 (武汉工程大学机械工程学院 湖北武汉430074) 摘要:基于计算流体动力学(CFD)技术,分别用LVEL模型、标准kε模型对管壳式换热器进行数值模拟,并把内管入口和出口的流动方向速度进行对比,依此判断计算的准确性,来寻找适合于管壳式换热器数值模拟的合理模型.经过计算可以判断:LVEL模型和标准kε模型计算出的流场基本一致.LVEL模型已足够准确、耗时也较小,对于管壳式换热器的数值模拟是适用的,是做换热器模拟时一种较好的选择. 关键词:CFD;管壳式换热器;流动模型 中图分类号:TK172 文献标识码:A 0 引 言 管壳式换热器在石油、化工工业中应用很普遍,约占国内换热器市场中的70%.加强对其的研究,有十分明显的现实意义. 在传统的设计中,由于流体的基本方程难以获得解析解,人们主要利用经验公式进行计算,其精度难以获得保证.现在由于计算机技术的飞速发展,以个人计算机为基础的计算流体动力学(CFD)技术获得了迅猛发展[1,2],并出现了一些通用的流体计算商用软件.现在CFD已能够成熟地模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象,可使用10多个成熟的离散格式和各种常用的湍流模型,例如:层流模型、混合长度模型、kε模型、低雷诺数kε模型、代数雷诺应力模型.利用它们对换热器进行模拟,以较低的代价找到提高传热效率的方法是一种很好的选择. 对大型的换热器,由于计算机容量的限制,现在常用的方法是用多孔介质模型,但其各向渗透率要由实验获得,否则根据经验确定,往往有很大误差.即使依照根据相似原则建立的模型获得的实验值来计算,也经常存在30%左右的误差,而在对换热器进行优化时,这种误差足够把各种方案的区别掩盖,所以对小型的换热器进行直接模拟,找出规律后向大型换热器推广有十分重要的意义. 在对换热器进行模拟时使用什么样的流动模型,是模拟时必须做的选择,但文献中却极少涉及[3].本文以单管管壳式换热器为研究对象,分别使用LVEL模型、标准kε模型,并比较其结果,作为模型选择的参考. 1 计算说明 换热器几何结构如图1所示,尺寸如表1所示.管程流体和壳程流体相同,均为空气或水,参数如表2、表3所示.用有限容积法离散.离散采取hquick格式.为保证计算精度,消除数值粘性,对局部网格加密,如图2所示.迭代次数为5000. 2 流动模型 换热器稳定工作时,其内介质可看作定常流动,又因为温差、压差很小,密度不变.忽略重力影响,不计热辐射.雷诺数远大于2900,适用于湍流的连续方程、动量方程、能量方程[4]. 这个方程组由6个方程组成,有u1、u2、u3、p、v、T和脉动相关量共12个未知数,方程组需添加方程个数才可解. 2.1 LVEL模型 这个模型由spalding[5]所提出,本质上是一种0方程模型,添加方程为 2.2 标准kε模型标准kε模型是一种2方程模型,添加方程为 速度和压力边界条件:物面无滑移:u=v=w=0;进出口处边界条件如表2、表3所示. 温度边界条件:壳壁:q=0管壁:q1=-q2;q1,q2分别为壳程流体、管程流体的换热量. 利用统一的控制方程 分别把以上方程用hquick格式离散后求解. 3 计算结果 根据连续方程,在只有一个方向明显有速度时,进出口速度应相等.以管程进口50mm和离出口50mm处的沿管向速度值为监测点. 3.1 LVEL模型 介质为空气时的计算结果如图3所示. (12.28-12.21)÷12.21×100%=0.5% 3.2 标准kε模型 质为空气时的计算结果如图5所示. (12.04-11.75)÷11.75×100%=2.47% 同时检验其管程和壳程的进出口质量的计算误差都在1%以内. 另外,从计算时间来看,两者为1:1.1.笔者曾用LVEL模型计算一个21根换热管的换热器,以水作为流动介质,并将进出口温差和压差、进出口速度和实验值相比较,结果均非常令人满意. 4 结 语 通过以上分析,按数值计算10%的可接受误差来看,两种模型和实际情形都可基本相吻合.LVEL模型和标准k-ε模型计算出的流场基本一致.LVEL模型已足够准确、耗时也较小,对于管壳式换热器的数值模拟是适用的, |
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