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折流杆换热器壳程流场和温度场数值模拟及场协同分析点击：2032 日期：[ 2014-04-26 22:21:27 ] |
| 折流杆换热器壳程流场和温度场数值模拟及场协同分析 1.严良文 2.王志文 (1.上海大学机自学院,上海 200072;2.华东理工大学化工机械研究所,上海 200237) 摘要:在ＰＨＯＥＮＩＣＳ 3.5.1程序的基础上,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理换热器内的管束,用分布热源考虑管侧流体对壳侧流体的影响,对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行了数值模拟,并对其温度梯度与速度矢量的夹角进行了计算。结果表明,采用换热器三维流动计算模型和ｋ ε湍流模型能较好地模拟折流杆换热器壳侧内的流场分布。通过数值模拟可直观地了解换热器壳侧内流体的流动状态,确定流动的高、低速区。除出、入口外,换热器的场协同效果较好。 关键词:换热器;折流杆;壳程;流场;数值模拟;场协同 中图分类号:ＴＥ965;ＴＱ051.5 文献标识码:Ａ 应用大型商用软件ＰＨＯＥＮＩＣＳ 3.5.1的平台,引入多孔介质模型,用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理折流杆内管束,用分布热源考虑管侧流体对壳侧的影响,选用工程上广泛采用的ｋ ε湍流模型,对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行了模拟,并应用场协同理论对其进行了分析,目的在于了解折流杆换热器的场协同效果,寻求管壳式换热器壳侧强化传热的新途径。 1 多孔介质模型下的守恒方程 多孔介质模型就是将流体、固体划入同一个控制体[1,2],通过对守恒方程的修改来表征固体的影响。用体积多孔度,即流体体积与整个控制体体积的比值表示固体构件对控制体内流体体积的影响;用表面渗透度,即流体表面与控制表面的比值表示固体构件对控制体表面作用力的影响。而固体构件带来的动量及能量交换的影响在方程中引入分布阻力和分布热源表示,现介绍如下。 2 数值模拟研究 2.1 湍流模型 当前使用的湍流模型很多,笔者在此选择工程上广泛采用的标准ｋ ε湍流模型,相应的模型常量为σＫ=0 75,σε=1 3,σμ=0 09,Ｃ1=1 44,Ｃ2=1 92,σＴ=1 0。 2.2 模拟换热器的结构参数 数值模拟的折流杆换热器的结构参数为:壳体内径257ｍｍ,换热管规格为Φ 20ｍｍ×1.65ｍｍ×6000ｍｍ,管间距26ｍｍ,换热管数量60根,折流栅数量32,折流栅间距160ｍｍ。 2.3 计算方法 数值计算中,压力与速度的偶合计算采用ＳＩＭ ＰＬＥ方法求解方程,整场求解控制方程,由于变量之间强烈的非线性关系,迭代求解选用亚松弛。方程迭代的初始值均为0。数值计算中的收敛标准是,整个求解区域节点的能量方程源项的相对残差最大绝对值小于10-5,其余的相对残差最大绝对值均小于10-3。壳体壁面取无滑移、绝热边界条件。 2.4 计算结果及分析 对模拟折流杆换热器壳侧雷诺数Ｒｅ为16641、22483、31099、39594和49515的5种工况进行了计算,并与实验结果进行比较,壳侧进、出口总压降的计算值和实验值见表1,两者吻合较好。 在壳侧雷诺数Ｒｅ=31099时,换热器水平中心线截面上的温度场、压力场、速度场和角度场(温度梯度与速度向量的夹角)等值图见图1。从图1ａ可知,从入口到出口,流体温度逐渐升高,中间段温度梯度比进、出口段温度梯度大,说明换热器中间段的传热效果优于其进、出口段。从图1ｂ可知,流体的压力由进口到出口逐渐下降,其中进、出口段的压力梯度较大,说明进、出口段是压力损失的主要区域从图1ｃ可知,流体在进、出口处流速较大,而在由折流栅支撑的管束之间流速均匀,没有出现折流板换热器中折流板两侧存在的低速区[4],说明折流杆换热器壳侧的流动性能比折流板换热器优越。从图1ｄ可知,换热器出、入口处的角度场平均值分别为78.3°和79.1°,场协同效果较差,传热效率低。但壳侧中间段是换热的主要区域,其角度场平均夹角较小,为68.21°,场协同效果较好,传热效率也较高,与温度等值图中出现的温度场变化规律相符合。 在壳侧雷诺数Ｒｅ为31099时,换热器水平中心线截面上进、出口区域的速度矢量场见图2,从进口段矢量场可以看出,在换热器入口右上侧速度矢量相对较小,而在由折流栅支撑的管束区速度矢量较大,流体流向平行于管束,流体在经过折流栅时流速变大,没有出现折流板换热器中在折流板背面处出现的漩涡。从出口段矢量场可以看出,在换热器出口左下侧速度矢量相对较小。 3 结论 (1)采用多孔介质模型建立的换热器三维流动热器内的场量分布。 (2)通过数值模拟可以直观地了解折流杆换热器壳程的流体流动状态,从模拟结果可以看出,除换热器出、入口段的流场不均匀、出现流动死区、场协同性能较差外,其余部分流场均匀,无传热死区,因此,该型换热器的传热效果较好。 (3)角度场的分析表明,换热器中间部分场的协同性好,出、入口段场协同效果差。因此,设计时应尽量减少出、入口段的相对尺寸以保证换热器良好的传热性能。 参考文献: [1] 林瑞泰.多孔介质传热传质引论[Ｍ].北京:科学出版社,1995. [2] ＢｅａｒＪ.多孔介质流体动力学[Ｍ].李竞生,陈崇希.北京:中国建筑工业出版社,1983. |
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