套管换热器湍流对流换热的数值模拟

C

A M E O 楷模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n

收稿日期:2007-04-02

北京市优秀人材培养项目

,项目号:20061D0500500160。

第15卷 第3期2007年9月

北京石油化工学院学报Journal of Beijing Institute o f Petro -chemical T echnolo gy

Vo l.15 No.3Sep.2007

套管换热器湍流对流换热的数值模拟

俞接成1 吴小华1 刘 全2

(1 北京石油化工学院热能与动力工程系,北京102617;

2 中国第一重型机械集团大连加氢反应器制造有限公司,大连116113)

摘

要 为了获得换热器中强化换热管对换热性能的综合影响,笔者运用FL U EN T 软件,

采用二维轴对称方法和k -E 模型对套管换热器的整体进行了数值模拟。分别模拟了光管和波纹管套管换热器在湍流情况下的换热性能。数值计算结果表明:光管套管换热器的总传热系数K 的数值计算结果与经验公式计算结果吻合很好;与光管相比,在相同流动条件下波纹管可提高总传热系数120%,

但随着Re 增大,其影响逐渐减小。

关

键

词 套管换热器;波纹管;数值模拟;强化换热

中图法分类号 T K121

随着能源的日益紧张,人们对强化换热的

研究日益重视。套管换热器是进行强化换热管

性能实验研究的主要实验装置,许多强化换热管的强化换热性能都是利用套管换热器来进行的。随着计算机硬件、计算流体力学和计算传

热学的不断发展,数值模拟已经成为传热学研究的一种重要方法[1]。在强化传热管研究方面,数值模拟也被广泛应用。但在研究中,普遍的做法是取换热管的一部分,将其设置为等壁温或等热流边界条件,然后按流动与传热均已充分发展的情况来进行模拟[2-6]。这样处理将无法考虑进口段对换热的影响,而且不能获得

强化换热管对管外流体流动和换热的影响。如果能对整个套管换热器进行模拟,则可以获得强化换热管的整体换热性能,与实际的实验工况更为接近。目前尚未检索到有关对整个套管换热器进行数值模拟的文献报道。

笔者将尝试采用二维轴对称方法,应用

FLUENT 软件对在湍流情况下的整个套管换热器的对流换热情况进行数值模拟。由于FLU -ENT 软件中有多种湍流模型可供选择,首先模拟了光管充分发展湍流、数和摩擦系数,并将数值计算结果与经验公式进行比较,以确定合适的湍流模型和FLUENT 软件的其他选项。然后再对光管套管换热器的换热性能进行数值模拟,比较总传热系数K 的数值计算结果与运用经验公式计算结果。在此基础上对波纹管套管换热器非换热性能进行模拟,并将其与光管套管换热器的总传热系数进行对比,分析波纹管对总传热系数K 的影响。

2 物理模型和边界条件

211 湍流模型的选择

在FLUENT 软件中,有多种湍流模型可供选择,如k -E 湍流模型、雷诺应力模型(RSM )等,为确定合适的湍流模型FLUENT 软件中的选项,首先模拟了以水为介质、等壁温热边界、直径为20mm 的光管在充分发展湍流情况下的对流换热问题,假定水为常物性,其物性参数引用FLU ENT 数据库中的值。分别模拟了雷诺数Re 分别等于1万、2万、4万、6万、8万和10万六种流动情况,并将数值模拟所获得的摩擦系数f 和努塞尔数N u 与经验公式进[7]

C

A M E O 楷模C A E 案例库

w w w .c a m e o .o r g .c n

f =

1182ln Re -1164

-2

(2)

结果表明:当选用标准k -E 湍流模型,并选择强化壁面处理方式的模拟结果与经验公式最吻合,数值计算结果与经典经验公式的对比如图1所示。在R e 较小(Re =1@104)时的误

差相对较大,摩擦系数f 和努塞尔数N u 的最大误差分别为8194%和9185%,其他R e 下的数值模拟结果与经验公式的误差较小。在后面对套管换热器的模拟中将采用标准k -E 湍流模型并选择强化壁面处理方式进行模拟。

图1 充分发展湍流f 、N u 的数值计算结果与经验公式的对比

212 物理模型和边界条件

采用二维轴对称方法对套管换热器进行模拟,分别模拟了光管和波纹管两种情况,其中换热管的长度为2m,套管的直径为40mm,光管直径为20mm,波纹管的结构尺寸如图2所示。

图2 波纹管的结构尺寸示意

应用GAMBIT 软件对套管换热器进行建模

和网格划分,不考虑壁厚的影响,整个套管换热

器共划分了16万个网格,设置了管内和环形空

间两个流动区域,在FLUENT 软件中可分别设

置为不同的介质,在本文中均设为水,并假定是常物性,管内和套管的流动为逆流。其他的边界条件为:套管壁面绝热,光管或波纹管的壁面设为耦合条件,管内或环形空间的入口设为质量流量入口,流量大小根据计算的雷诺数Re 进行确定,模拟了管内和环形空间的雷诺数相等,并分别等于1万、2万、4万、6万、8万和10万六种工况,管内入口温度设为350K,套管的入口温度设为300K 。出口均设为压力出口条件。

3 数值计算结果分析

311 光管套管换热器

当内管为光管时,总对流换热系数K 1可

分别由数值模拟和经验公式计算获得。由经验公式计算时,先由公式(1)计算管内和管外的努

塞尔数N u,进而由式(3)和式(4)计算K 1,根据数值模拟时所作的简化,不考虑壁面热阻和污垢热阻。

N u f =A d K f

(3)1K 1=1A i +1

A o

(4)

数值模拟时,由FLU ENT 软件求得内管壁面的换热量Q 和内管套管的出口体平均温度,求出对数平均温差$t m ,然后由传热方程式(5)计算总传热系数K 2:

Q =K 2F $t m

(5)

六种工况总传热系数的数值计算结果和由

经验公式计算结果的比较如图3所示,从图3中可以看出,光管套管换热器的总传热系数的数值计算结果与经验公式非常吻合,最大误差为8177%,因此运用FLU ENT 软件,采用二维轴对称方法对光管套管换热器进行数值模拟完全能满足工程要求,为进一步应用数值模拟方法研究强化换热管的整体换热性能提供了保障,克服了以往的数值计算中只考虑对管内换热性能的研究而忽略强化传热管对管外流体流动和换热的影响。312 波纹管套管换热器

用FLUENT 软件对长2m 、结构尺寸如图2所示的波纹管代替光管的套管换热器进行了数值模拟,FLUENT 中的各项设置、模拟工况

36

北京石油化工学院学报

2007年第15卷