换热器换热面积
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管壳式换热器流场数值以及模拟方法点击：1748 日期：[ 2014-04-26 22:21:42 ] |
| 管壳式换热器流场数值以及模拟方法 熊智强 喻九阳 熊智斌 (1．武汉工程大学机械工程学院，湖北武汉：430074；2．武汉市六指中学，湖北武汉：430331) 摘要：介绍了对管壳式换热器研究的基本方法。对数值模拟的优缺点和模拟的软件做了简要介绍，并对常用于管壳式换热器的两种方法：直接数值模拟和多孔介质模型两种类别作了明确阐述。 关键词；数值模拟 管壳式换热器CFD 中图分类号：TK172 文献标识码：A 文章编号：1671—3524(2006)03—0045—02 1.引言 换热设备广泛应用于能源、动力、核能、石油、制冷、化工和加工处理等工程技术领域[1]，管壳式换热器占国内换热器市场的7O 左右，是应用最广的一种换热器。其运行费用占全厂的正常运行和操作费用的相当大的一部分。随着能源问题的日益突出，要求强化传热过程，提高换热设备的传热能力以提高系统的热效率、节约投资费用、提高经济效益或满足某些特殊的工艺要求，如快速加热、急冷、设备微型化、高热流密度或小温差传热等。然而传统的管壳式换热器单位体积的传热面积较低，传热系数不高，难以满足要求。所以，以各种方法来研究换热器以强化传热越来越得到重视，已发展成为一个重要的专门领域，近年来，数值模拟成为一种重要工具。 2 换热器研究方法 计算流体力学(computational fluid dynamics简称CFD)、理论流体力学、实验流体力学是研究流动的三种主要手段。由于流体的基本方程中速度、温度、压力耦合，因此难以获得解析解。特别是在管壳式换热器中流体流动一般为湍流，更是加大了计算难度，且实际应用的管壳式换热器中管的数量大，获得解析解几乎是不可能的[2]。所以人们广泛依靠实验来作为基本研究方法。而试验结果受实验设备、操作水平等诸多因素影响，且费用相对较高。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)分析软件获得了迅猛发 展。它的长处是适应性强、应用面广，可以选择不同流动参数进行各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较，有较大的灵活性。而且它能给出详细和完整的资料，可视性强。 但CFD技术艰深的理论背景与流体力学问题的复杂多变阻碍了它向工业界进一步推广。一般工程技术人员很难较深入地了解这门学科，CFD软件使用起来也不容易，因为总有不少条件、参数要根据具体问题以及运算过程随时做出修改、调整，若不熟悉方法和程序，往往会束手无策。此外，前、后处理也显得较为棘手，这在某种程度上妨碍了其进一步扩大实际应用范围。而且流动机理不明的问题，数值工作无法进行；数值工作自身仍然有许多理论问题有待解决；离散化不仅引起定量的误差，同时有可能也会引起定性的误差，所以数值工作仍然离不开实验的验证。 3 换热器数值模拟 在1981年之前，CFD技术主要还是在学术范围内研究，而真正在工程实际中应用并不多。自从1981年英国CHAM公司推出求解流动与传热的商业软件PHOENICS来，全世界范围内已至少出现Tso多种这样的求解工程流动与传热的商业软件卜。 这些软件推进了CFD技术更好地服务于工业实际。随着CFD的逐步完善，国内外学者对换热器内流体流动的数值模拟进行了一些研究。模拟主要有两种类别，直接数值模拟和多孔介质模型。人们在对换热器的局部特征和小型的换热器进行研究时 ][ ，可用直接数值模拟，而大型换热器，只能用多孔介质模型进行模拟[g叫引。两种方法的区别是：直接数值模拟是将流体、固体分别划人不同的控制体，定义不同的物性来表示。它的控制方程为： 这种方法适用于固体构件较简单的问题。实际换热器内的传热管可达数百根甚至上千根之多，采用以上方法控制体的数目会十分巨大。现有的计算机只能对一些小型的换热器进行直接模拟，根本无法对大型换热器进行直接模拟。而且即使用几十台计算机并行运算，由于在换热器内存在冷热两种流体，且在折流板附近，流速、压力变化剧烈，存在强烈的漩涡，计算收敛也非常困难。 多孔介质模型是将流体、固体划人同一个控制体，通过对守恒方程的修改来表现固体的影响。它用表面穿透率即流体表面与控制体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人分布阻力和分布热源表示。它的控制方程为： 这种方法目前得到广泛使用。这种方法的主要缺点是分布阻力和分布热源的模型和系数要依靠经验来确定，其精度难以保证。另外无法准确描述管的形状、分布对壳程流场的具体影响，很多问题就无法使用这种方法得出满意的结果。图1和图2为笔者对一有着1O块折流板，21根管的管壳式换热器分别利用直接模拟和多孑L介质模型计算得出的横截面速度分布云图。 对比两图可以知道，多孔介质模型无法体现管子分布对流速的影响。且这种方法在软件里不能直接完成，需要编程修改软件里的模型来实现。另外，在一台CPU为双核3．0GHz、2G内存的计算机上直接模拟这个管壳式换热器，计算时间需lOO多小时；而多孔介质模型只需3O分钟左右。 4 结 语 相对目前较为成熟的固体力学分析软件，CFD软件目前还有很多问题，应用没那么广泛。在模拟换热器时，有两种方法可供选择。直接模拟更准确，提供的信息更为详细。但对大型的换热器，难以直接数值模拟，目前主要使用多孔介质模型。 |
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