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基于CFD的折流杆换热器流场仿真系统研究

点击:1169 日期:[ 2014-04-26 22:13:55 ]
                           基于CFD的折流杆换热器流场仿真系统研究                                   王定标  向飒  魏新利                                   (郑州大学化工学院)     摘要:基于计算流体动力学原理,建立了换热器流体流动和传热过程的控制方程组,应用算子分裂法,将换热器控制方程分裂为基本的对流、扩散、Stokes 1'7题;采用8~20节点三维等参单元,推导出有限元离散化方程组。编制了流体流动和传热的数值仿真系统程序,应用仿真系统进行传热数值模拟计算和实验验证,通过对比两者的Nu与Re的关系,可以看出仿真系统的计算值和实验测量值非常接近。实验证明,采用编制的折流杆换热器数值仿真系统进行传热模拟计算是切实可行的。     关键词:折流杆换热器CFD 传热 数值模拟 仿真系统     引 言     折流杆换热器以杆式支撑替代原弓形挡板,具有抗振、高效、低压降等优点。与传统的折流板管壳式换热器相比,折流杆换热器内部结构有较大变化,其壳程内部采用折流杆组成的折流栅取代折流板作管间支撑物,使壳程流体由横向流动变为平行流动,不仅大大减少了传热死区,而且大幅度减少了流体因多次反复折流而损失的壳程压降。与现行管壳式换热器相比,折流杆换热器的总传热系数提高了35% 以上,壳侧阻力降减小了50%以上。计算流体动力学(CFD)是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应等研究的核心和重要技术,具有成本低和能模拟较复杂过程等优点¨0 。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,通过CFD计算结果就可以进行评估,并且可以比较快捷、准确及直观地反映出流体在换热器中流动的过程,如速度场、压力场、温度场等的分布,可以得到用实验方法无法得到的流场和温度场分布的细观信息,易于分析各种结构对传热过程的影响。因此,对新型换热器的研制具有深远的影响。     笔者在此阐述了采用CFD技术的折流杆换热器数值仿真系统的编制思路和功能,并对其正确性进行了考核,对新型换热器及其强化传热元件的研究与开发方面具有重要意义。     换热器CFD数值算法建模目前在计算流体力学中,采用有限元法计算三维流体问题,都是采用8节点三维单元,该单元形式简单,但精度低,误差大,而且对复杂曲边边界适应性差。笔者针对一般Galerkin有限元法的不足,为改进有限元法数值计算的收敛性和提高计算精度,建立有限元法改进的离散格式,采取了如下一些改进措施:为改进收敛性,应用算子分裂法,将换热器控制方程分裂为基本的对流、扩散、Stokes问题;为提高计算精度,提出并推导出二阶时间精度离散格式;为提高8节点 维等参单元的精度和复杂边界的适应性,采用8~20节点三维等参单元,并推导出其空间离散格式;为进一步提高数值仿真的收敛性,利用最小二乘法原理,推导出一个较规范统一的耗散权函数。     1.控制方程     设换热器横截面为X一Y平面,沿换热器长度方向为z轴。流体流动处于层流状态,壳程流体控制方程有:     连续方程                                                                                                                                                                                      数值仿真系统的编制     数值仿真系统主要由以下3个部分组成:基本前处理模块(FEMPREP)、有限元流动与传热计算模块(FEMFLOW)、计算结果后处理模块(FEM—POST)。仿真专家系统的程序流程图如图1所示。                         程序采用Visual C++、Fo~ran90混合语言编写,并编译成可执行文件,其中Fo~ran90采用Fo~ran Power Station 4.0编译。在程序中,采用了模块化设计、动态内存管理技术、内外存数据交换等技术。仿真专家系统各模块的功能概述如下。     1.基本前处理模块(FEMPREP)     该模块首先需要定义单元类型和材料属性。单元类型是8—2O节点三维等参单元。材料属性主要有管程、壳程流体密度、比热、导热系数、粘度等各个参数;换热管材料的导热系数。其次生成模型的几何体,如生成换热器横截面( —Y平面)的几何结构。第三,划分有限元网格。对于换热器,根据图2所示的网格划分原则,计算各节点的位置及进行单元网格划分(二维),生成二维有限元网格,沿 方向延伸(拉伸),即可得到三维有限元网格,并形成网格数据文件。第四,施加载荷或边界条件。例如初始条件、边界条件等。第五,定义分析类型和分析选项。例如根据流体流动状况,人工选择是层流计算还是湍流计算;是否需要进行能量(温度)计算;迭代方法选择(牛顿一拉斐逊迭代法和预处理的共轭梯度法);收敛准则;最大迭代次数等多个选项。最后形成用于计算需要的数据文件。基本前处理模块的应用,可有效降低有限元分析的数据输入量,提高效率。                          2.有限元流动与传热计算模块(FEMFLOW)     有限元流动与传热计算模块是数值仿真系统的核心和关键,计算成败、计算效率、计算结果的精确性以及物理真实性、可靠性主要体现在该模块。该模块以式(5)、(6)、(10)、(1 1)等为基本有限元离散化方程组,通过建立单元刚度矩阵,组建总刚度矩阵,采用增量牛顿一拉斐逊迭代法、增量预处理的共轭梯度法进行求解。该模块的程序流程图如图3所示。INPUT过程模块打开在基本前处理模块中所形成的数据文件,获取计算所需的全部数据;ADDRES过程模块根据模型单元和节点数据计算总刚度矩阵对角元的存储地址以及刚度矩阵的元素总长;FLOW 3D过程模块调用8—2O节点三维等参单元,以建立单元刚度矩阵,并组集总体刚度矩阵;ALGOR过程模块是牛顿一拉斐逊迭代法、预处理的共轭梯度法的求解算法;CALSOL过程模块采用Lu分解法求解总刚度矩阵;EQUIT过程模块进行平衡迭代计算。最后可计算得到各点的速度、压力、温度值。                      3.计算结果后处理模块(FEMPOST)     该模块采用粒子跟踪技术、等值面(等值线)技术等将有限元流动与传热计算模块得到的计算结果转化为等值线图、矢量图或流线图表示,以较直观地显示出流体流动和传热的数值模拟计算结果。数值仿真系统的验证    为考核仿真系统计算折流杆换热器的能力,采用如下的折流杆换热器:筒体内径Di为145mm,管束长径比(管束长度与壳体直径之比)为Li/Di= 13,换热管为Φl4mm×2mm,37根,管间距为19mm;换热管采用正方形排列;折流栅间距Lb= 50mm,折流圈规格为Φ143 mm×Φ134 mm,折流杆布置为单排管间布杆,折流杆直径为5mm,壳程进口接管为Φ76 mm×4mmm,壳程进口接管与管板的距离为100 mm。管程通入热流体为105℃饱和水蒸气,壳程通入20℃空气。应用数值仿真系统采用层流选项计算出Re≤2 300时Nu值与值Re的关系已绘于图4,实验获得的Nu与Re的关系也绘于图4中。                  从图4中可以看出,仿真系统的计算值和实验测量值非常接近,两者的lgNu与lgRe关系呈良好线性,且斜率均为0.6。仿真系统计算的实验考核证明,采用仿真系统进行数值模拟分析是适用的,用于折流杆换热器的计算是可行的。     结 论     笔者探讨了基于CFD技术的折流杆换热器数值模拟实现方式,研究了其有限元离散化方法,推导出有限元离散化方程组。阐述了折流杆换热器流动和传热数值仿真系统的编制思路以及关键模块的程序流程图。应用仿真系统进行传热数值模拟计算,通过实验进行了验证,证明应用折流杆换热器数值仿真系统进行模拟计算是切实可行的。折流杆换热器仿真系统的研究具有很重要的工程应用价值,为新型换热器的研究、设计开发提供了有效的手段和工具。     参考文献     l 苏铭德,黄素逸.计算流体力学基础.北京:清华大学出版社,1997     2 王定标.纵流壳程换热器数值模拟技术与应用[博士学位论文].华东理工大学,2000     3 Amano R S.A numerical study of laminar and turbulent heat transfer in a periodically corrugated wall channe1.ASME.J Heat Transfer。1985,107:564—569     4 王定标,向飒。董其伍.纵流壳程换热器的三维流场.化工学报,2004。(5):378—385     5 王定标,吴金星,郭茶秀.大型纵流壳程换热器流动与传热数值模拟技术.郑州大学学报工学版,2002,21(1):19—23     6 Demkowicz L,Oden T J,Rachowicz W.A new finite ele— ment method for solving compressible Navier—Stokes equations based on an operator splitting method and h——P adap-- tivity.Comput Methods Appl Mech Eng,1 990,84:236— 275
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