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FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场点击：1922 日期：[ 2014-04-26 22:14:23 ] |
| FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场 刘利平 黄万年 (郑州大学化工学院) 摘要:基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-ε模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。 关键词:管壳式换热器 数值模拟 FLUENT 多孔介质 分布阻力 模型 0 前言 数值模拟是换热器研究的一种重要手段。应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场,由Patankar与Spalding在1974年最早提出[1]。但由于受到当时计算机与计算流体力学的条件限制,研究进展缓慢。20世纪80年代,由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展,促进了换热器数值模拟研究的开展[2,3]。关于国内外的换热器数值模拟研究,采用二维研究的较多,而在三维研究方面,又通常采用自己编程的方法[4,5]。利用FLUENT软件,模拟管壳式换热器壳程三维流场,本文进行了有益的探索。 FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件,用于计算流体流动和传热问题。FLU-ENT软件是基于CFD软件群的思想,从用户需求的角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。 1 模拟模型 1.1 计算模型 管壳式换热器壳程流场数值计算,采用了多孔介质与分布阻力模型。由于换热器壳程结构复杂以及流动形态多样化,使得影响流体流动和传热的因素多,相对于管程而言,壳程流体的数值模拟复杂,特别是具有复杂折流板结构的情况,更为如此。对于普通折流板换热器,壳程流体时而垂直于管束,时而平行于管束,还有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄漏,同时管内流体与管外流体的热交换耦合在一起,因此进行管壳式换热器壳程流场的数值模拟,需要采用多孔介质与分布阻力模型来简化计算。分布阻力是考虑换热管固体表面对流体流动所造成的动量损失。 根据多孔介质模型与分布阻力模型,可建立三维圆柱坐标系中流场与温度场的控制方程[6]。此外,还可建立控制方程组的边界条件:(1)换热器入口流体的焓值(温度);(2)壳程流体进口截面的速度分布;(3)壳体的热边界条件(一般处理为绝热);(4)换热器出口,一般可取局部单向化条件。 1.2 几何模型 几何模型采用普通管壳式换热器,单管程、单壳程和弓形折流板,其结构简图如图1所示,换热器的几何参数列表1。 1.3 GAMBIT网格模型 (1)确定求解器 选择用于进行CFD计算的求解器,为Fluent/Fluent5。 (2)创建换热器模型及划分网格 利用GAMBIT创建管壳式换热器的网格模型[7],即根据表1的几何参数绘制出换热器几何体,并在GAMBIT中创建三维物理模型,划分网格的间距为1mm。 (3)定义边界类型 在此模型中的边界类型有四种:进口(inlet)、出口(outlet)、管壁(gwall)以及壳壁(qwall)。 (4)输出网格文件 选择File/Export/Mesh,输入文件的路径和名称。 (5)流体的物理参数 壳程介质为水。常压;流体初速分别取0m/s、3m/s、5m/s及10m/s;流体进口温度360K,流体出口温度320K;管壁温度300K。 1.4 求解模型 (1)建立求解模型 利用Fluent软件进行数值模拟。求解的条件采用Segregated(非耦合求解法)、Implicit(隐式算法)、3D(三维空间)、Steady(定常流动)、Absolute(绝对速度)。 (2)设置标准k-ε湍流模型 采用k-ε模型时,湍流粘性系数的取值,参考有关文献选取。 (3)设置边界条件 设置流体入口边界条件、出口边界条件和壳体壁面的边界条件。 (4)设置监视器及迭代计算 取不同的初速,开始迭代计算,在迭代130～150次时,计算收敛,分析其残差曲线。 2 结果与讨论 2.1 模拟结果 (1)压力场 分别模拟了不同初速的壳程流体压力场,其中,初速为5m/s的压力场分布如图2所示。 (2)速度矢量场 分别模拟了不同初速的壳程流体速度矢量场,其中,初速为5m/s的速度矢量场如图3所示。 (3)速度矢量场的温度分布 分别模拟了不同初速下壳程流体速度矢量场的温度分布,其中,初速为5m/s时速度矢量场的温度分布如图4所示。 (4)特殊平面压力分布图 以初速为10m/s进行运算,创建x=0平面的压力分布图,如图5所示。 (5)流线图 以初速10m/s进行运算,流体从进口到出口沿壳程的流线图如图6所示。 (6)XY曲线 以初速为10m/s进行计算,分析管壳式换热器内流体压力的分布,绘制XY曲线。取坐标系内点(0.02,0.02,0.2)和点(0.02,0.02,-0.2),构成的曲线变化如图7所示。 2.2 结果讨论 (1)在利用Fluent进行数值模拟时,使用二阶离散化方法,可以避免一阶离散化方法计算结果收敛性不理想、数据上下波动的情况。 (2)流场压力特性 由图2和图6可知,流体在入口处和出口处产生较大的压降,而流过每一块折流板的压降相对较小,并且流过每一块折流板的压降基本相同。对于换热器壳程流场的总压力分布,从图2、图6及图7可看出,沿着流动方向整体呈下降趋势。 (3)流场速度矢量 由图3可知,由于折流板的存在,速度呈现周期性改变;换热管的存在,使流体之间的掺混更为剧烈;在每一块折流板附近,都存在一个流速较低的区域;在进出口区域,流体流速有较大的变化。 (4)流场温度分布 由图4可知,温度沿壳程流向逐渐减小,且随折流板个数的增加,温度的下降幅度逐渐变小。初速为5m/s的流体,温度的变化范围为317.54K～360.01K。 (5)流线图分析 图6显示的是流体从进口到出口的流线图,该图共设置了10条流线,清晰地描述了流体的流动轨迹。 3 结论 本文以常用的弓形折流板管壳式换热器为研究对象,对换热器的壳程三维流场进行了流动与传热数值模拟。在不同的流体初速下,得到了换热器壳程流体压力场、温度场及速度矢量场等的分布图,并对结果进行了讨论,计算结果与实际情况相符,说明计算模型合适。本文利用FLUENT软件进行的换热器壳程流场三维数值模拟,是对换热器数值研究的有益探索。 |
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