计算流体力学大作业

管壳式换热器壳程流动传热数值模拟

机械与动力工程学1．问题描述

一工业用换热器，功能是加热壳程介质。管程流体为上一工段的高温废液。近似认为废液在管内流动时，管壁温度恒定。

2．软件环境

表1 软件环境

前处理软件计算软件后处理软件Gambit2.3.6/Pro-e ANSYS-Fluent15.0 Fluent15.0

其他软件如截图工具，图片编辑软件等不逐一列举。

3．模型建立

表2 换热器几何参数

折流板尺寸依据GB151选取。

在gambit中建立壳程流体的水力模型，建模时进行必要的简化，忽略折流板和壳体之间的间隙，忽略定距管和拉管。

从观察中可以看出管壳式换热器是左右对称的装置，为了减少计算的时间，提高工作的效率，可以去对称的一半进行计算，然后由软件处理得到结果。

图1 几何模型

4．网格划分

网格总数1649730。折流板之间的流动区域选用非结构化网格，以便于网格划分。网格质量检查复合要求。

图2 网格模型

由于本文只需得到壳程的大致流动情况，不要要精确解，因此为了节约网格划分工作量，没有划分边界层网格。

图3网格局部放大

5．边界条件设置

表3 边界条件设置

进口流速取2m/s，分别取壳程走空气和水两种介质，比较壳程流体对传热的影响。

打开能量方程；湍流模拟采用k-ε方程；迭代求解方法默认。

6．计算结果

当壳程走水时，出口温度为323K，温度升高了25℃。

图4壳程走水时温度分布

图5壳程走水时流速分布

图6壳程走水时折流板处的回流

当壳程走空气时，出口温度为378K，温度升高了65℃。与管壁温度一致。

图7壳程走空气时温度分布

图8壳程走空气时流速分布

图8壳程走空气时折流板处的回流

从两种流体的对比可以看出，由于空气和水的粘性都很小，所以两者的流动状态并没有显著差别，回流区的位置和大小也基本一直。因此可以说明，当入口速度一致时，在低粘度，不考虑重力的前提下，流体的性质对换热器壳程内流速分布的影响可以忽略。

另外从加热效果的角度讲，虽然壳程走空气时出口温度比较高，但空气的密度低，比热低，因此实际上带走的管程热量只有壳程走水时的千分之一。因此如果要提高能量利用率，并且壳程必须走空气时，可以采用先将空气压缩，再通入换热器的方法，以提高能利用率。

另外虽然空气的导热系数比水少一个数量级，但是出口温度依然比较高，可见预测有热源流体的温度，不能单一地依据导热系数，还应该综合考虑比热，密度等性质的影响。

7．结论

(1).当入口速度一致时，在低粘度，不考虑重力的前提下，流体的性质对换热器

壳程内流速分布的影响可以忽略。

(2).壳程必须走空气时,可以采用先将空气压缩，再通入换热器的方法，以提高能

利用率。

(3).预测有热源动流体的温度，不能单一地依据导热系数，还应该综合考虑比热，

密度等性质的影响。

8．参考文献

[1] 张之东. 管壳式换热器内部三维流场数值模拟[D]. 河北科技大学, 2012.

[2] 戈锐. 管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2011.

[3] 王明军. 管壳式换热器的数值模拟与优化设计[D]. 中南大学, 2011.

[4] 周俊杰. FIUENT工程技术与实例分析[D]. 中国水利水电出版社, 2010.