外掠管束的流动和换热特性的数值模拟

外掠管束的流动和换热特性的数值模拟

列管式换热器是一种比较传统且在工业化生产过程中应用十分普及的换热器,其流动本质为热流体外掠圆管进行流动、换热。本文对流体在换热管束中的流动和传热过程进行数值计算,考察不同管束排布方式、管束结构参数、操作条件等对其流动及传热特性的影响,并定量分析了管排的强化传热机理,在此基础上进一步对管束进行流固耦合分析。通过研究可以发现,管排中圆管的平均努赛尔数Nu与单圆管相比提高了 37%,传热强化较为明显。

通过改变管束结构参数,计算了不同纵向节径比(SL/D)和横向节径比(ST/D)对顺排管排传递特征的影响,并综合评价了其传热强化效果。结果显示,增大纵向节径比和横向节径比均能提高Nu数,但同时阻力系数也随之增大。综合传热能力对横向节径比更为敏感,当ST/D=2.5,SL/D=2.7时综合传热能力最优。

此外,考察了雷诺数对顺排管束涡脱落的影响,并通过线性拟合得到了管排斯特劳哈尔数St与雷诺数Re的关系,结果表明管排结构可以对涡脱落起一定的抑制作用,减小涡脱落频率。在相同工况下,对流体在叉排管束中的流动及传热过程进行数值模拟。对比叉排管束和顺排管束的流场分布和Nu数分布,可以发现叉排管束的换热强化能力优于顺排管束。

运用场协同理论分析管束结构对传热强化的机理,发现叉排管束中速度矢量与温度梯度的协同程度较好,强化传热能力更强。对换热管束进行单向流固耦合研究,分析了雷诺数、纵向节径比和不同管排结构下换热管束的应力应变分布规律。结果表明,雷诺数对顺排管束应力分布影响不大,但其应力强度对其排布方式较为敏感。

增大SL/D,顺排管束应力最大值先增大后减小。与顺排管束相比,叉排管束

所受应力及整体形变量均较大。