FLUENT算例 (6)

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1、管殼式換熱器傳熱數(shù)值模擬摘要：為了研究管殼式換熱器殼程流體湍流流動(dòng)與換熱的工作機(jī)理，文中利用FLUENT軟件，在殼程流體速度設(shè)定的情況下對(duì)管殼式換熱器殼程湍流流動(dòng)與換熱進(jìn)行了三維模擬，得到了殼程流體流速下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布圖等，根據(jù)模擬得到的結(jié)果對(duì)管殼式換熱器殼程流體湍流流動(dòng)與強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；換熱管；三維數(shù)值模擬1引言數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在換熱設(shè)備研究開發(fā)和設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在近些年的換熱器研究和開發(fā)中，CFD這種模擬方法越來越多的用來模擬換熱設(shè)備內(nèi)部工作介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，即流場(chǎng)的模擬，通過模擬，人們對(duì)換熱器內(nèi)部流場(chǎng)微觀特征的認(rèn)識(shí)有了很大的提高，這極大地促進(jìn)

2、了換熱器技術(shù)的研究和新型換熱設(shè)備的開發(fā)。管殼式換熱器的性能是由管程和殼程內(nèi)流體流動(dòng)及相互耦合作用決定的[1]，管程內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱可以通過準(zhǔn)則關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，而殼程中流體的流動(dòng)與傳熱特性則要復(fù)雜得多，且殼程流體的流動(dòng)分布狀態(tài)對(duì)換熱器的總體性內(nèi)有重要影響。而對(duì)管殼式換熱器的數(shù)值模擬主要針對(duì)于殼程。2模型與參數(shù)本模型為單弓形折流板換熱器，其中所用到的參數(shù)如下表所示：換熱器結(jié)構(gòu)幾何尺寸及計(jì)算工況換熱器結(jié)構(gòu)幾何尺寸及計(jì)算工況長(zhǎng)度1632mm殼程流體空氣殼體mm入口溫度25℃換熱管25×2.5mm密度1.067kg/m3換熱管數(shù)N=40動(dòng)力粘度1.83排列方式正三角排列熱傳導(dǎo)率0.029w/(m

3、K)管間距32mm比定壓熱容1.008KJ/（kgK）折流板厚度6mm管程流體飽和水蒸汽折流板厚度400mm管程溫度105℃換熱管不銹鋼管殼程進(jìn)口平均速度1.028m/s其具體模型如下圖：圖2-1管殼式換熱器模型圖3流場(chǎng)與傳熱數(shù)值模擬方案3.1方案目標(biāo)通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和圖像顯示對(duì)管殼式換熱器中包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析[2]，把原來在時(shí)間和空間上的物理量的場(chǎng)用有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，構(gòu)造這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。通過數(shù)值模擬，可以得到復(fù)雜問題的流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的基本物理量（如速度、壓力、溫度等）的分布，

4、以及這些物理量隨時(shí)間的變化的情況。3.2計(jì)算方案在Gambit中建立管殼式換熱器的三維模型并劃分網(wǎng)格，輸出網(wǎng)格條件，然后導(dǎo)入到Fluent中，在其中進(jìn)行一系列的檢查網(wǎng)格，設(shè)置邊界條件和收斂條件，最后進(jìn)行迭代運(yùn)行，待收斂后，從軟件中調(diào)出換熱器隨時(shí)間各個(gè)物理屬性隨時(shí)間的變化。3.3模型區(qū)域模型為單弓形折流板換熱器，由于此換熱器為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以在操作中只需要取換熱器的一半建立模型，進(jìn)行模擬。換熱器進(jìn)行正三角形布管。3.4邊界條件和收斂條件因湍流效應(yīng)對(duì)流動(dòng)與傳熱有一定的影響，故采用方程模型。PressureBased隱式求解，保證收斂的穩(wěn)定性[3]；壓力和速度解耦采用SIMPLE算法；動(dòng)量、能量

5、以及湍流參量的求解采用二階逆風(fēng)格式；計(jì)算流體采用速度入口條件給定流體流速、溫度及相應(yīng)的湍流條件；出口采用自由出口邊界條件；殼體壁面采用不可滲透無滑移絕熱邊界，并給定換熱器邊界溫度；穩(wěn)態(tài)不可壓縮求解。當(dāng)?shù)_(dá)到一定次數(shù)時(shí)會(huì)自動(dòng)收斂。4方案可靠性分析數(shù)值模擬具有費(fèi)用低、速度快、重復(fù)性好、能模擬較復(fù)雜或理想的工況下的流動(dòng)現(xiàn)象和流動(dòng)特性，同時(shí)可以觀察不同炒作參數(shù)對(duì)求解問題的影響，獲得所有相關(guān)變量的詳細(xì)信息以及潛在的物理過程等。因此以數(shù)值模擬為主，以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為輔，把理論研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)量有機(jī)而協(xié)調(diào)地結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)換熱器的研究和開發(fā)[4]。該方式可大大縮短換熱器的研究開發(fā)周期，降低費(fèi)用。5模擬

6、結(jié)果顯示與分析圖5-1迭代示意圖圖5-2溫度場(chǎng)分布圖圖5-3壓力場(chǎng)分布圖圖5-4速度場(chǎng)分布圖圖5-5速度矢量分布圖圖5-6放大后者流板附近矢量分布圖5-7入口處矢量分布圖流體經(jīng)過折流板的圓缺部分后掠過管束，并在折流板的作用下載殼程內(nèi)反復(fù)擾流，其殼程流體的流動(dòng)狀態(tài)如圖5-2—5-5所示。從圖5-6可以看出，流體在折流板前的區(qū)域內(nèi)橫向沖刷管束，呈錯(cuò)流傳熱，在較低的Re數(shù)下便能達(dá)到湍流狀態(tài)，85%左右的熱傳遞在此區(qū)域內(nèi)完成；在折流板后方是渦流區(qū)，流體在此區(qū)域內(nèi)相對(duì)停滯，小的漩渦再循環(huán)會(huì)使流體溫度很快與管子的表面溫度趨于平衡，而由于流體相對(duì)靜止，使其熱混合的程度極小，熱量在此聚集而無法被及時(shí)傳到

7、下游，局部換熱效果很差。由圖5-2所示的換熱器的溫度分布圖也可以看到，折流板后方區(qū)域溫度較高。由圖5-7可以看出，流體在進(jìn)口處橫向沖刷熱管，由于管束在裝配過程中，為了便于裝配，折流板的管孔要大于換熱管外景，管子固定不緊在流體的橫向沖擊下，使換熱器容易產(chǎn)生流體誘導(dǎo)震動(dòng)[5]。6結(jié)果分析從模擬結(jié)果來看其真實(shí)情況與實(shí)驗(yàn)理論結(jié)果比較相差不大。7問題討論在模擬的過程中在建立模型是如果選擇的面不當(dāng)，或者是劃分網(wǎng)格布成功都會(huì)影響最終的結(jié)果，在加載