三维换热器的FLUENT模拟

FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场

我要打印 IE收藏放入公文包我要留言查看留言文章来源：中国换热器网添加人：admin 添加时间：2008-3-26 17:08:00摘要:基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-ε模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。

关键词:管壳式换热器数值模拟FLUENT 多孔介质分布阻力模型

数值模拟是换热器研究的一种重要手段。应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场,由Patankar与Spalding在1974年最早提出[1]。但由于受到当时计算机与计算流体力学的条件限制,研究进展缓慢。20世纪80年代,由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展,促进了换热器数值模拟研究的开展[2,3]。关于国内外的换热器数值模拟研究,采用二维研究的较多,而在三维研究方面,又通常采用自己编程的方法[4,5]。利用FLU ENT软件,模拟管壳式换热器壳程三维流场,本文进行了有益的探索。

FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD软件,用于计算流体流动和传热问题。FLU-ENT软件是基于CFD软件群的思想,从用户需求的角度出发,针对各种复杂流动的物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

1 模拟模型

1.1 计算模型

管壳式换热器壳程流场数值计算,采用了多孔介质与分布阻力模型。由于换热器壳程结

构复杂以及流动形态多样化,使得影响流体流动和传热的因素多,相对于管程而言,壳程流体的数值模拟复杂,特别是具有复杂折流板结构的情况,更为如此。对于普通折流板换热器,壳程流体时而垂直于管束,时而平行于管束,还有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄漏,同时管内流体与管外流体的热交换耦合在一起,因此进行管壳式换热器壳程流场的数值模拟,需要采用多孔介质与分布阻力模型来简化计算。分布阻力是考虑换热管固体表面对流体流动所造成的动量损失。

根据多孔介质模型与分布阻力模型,可建立三维圆柱坐标系中流场与温度场的控制方程[6]。此外,还可建立控制方程组的边界条件:(1)换热器入口流体的焓值(温度);(2)壳程流体进口截面的速度分布;(3)壳体的热边界条件(一般处理为绝热);(4)换热器出口,一般可取局部单向化条件。

1.2 几何模型

几何模型采用普通管壳式换热器,单管程、单壳程和弓形折流板,其结构简图如图1所示,换热器的几何参数列表1。

1.3 GAMBIT网格模型

(1)确定求解器

选择用于进行CFD计算的求解器,为Fluent/Fluent5。

(2)创建换热器模型及划分网格利用GAMBIT创建管壳式换热器的网格模型[7],即根据表1的几何参数绘制出换热器几何体,并在GAMBIT中创建三维物理模型,划分网格的间距为

1mm。

(3)定义边界类型

在此模型中的边界类型有四种:进口(inlet)、出口(outlet)、管壁(gwall)以及壳壁(q wall)。

(4)输出网格文件

选择File/Export/Mesh,输入文件的路径和名称。

(5)流体的物理参数

壳程介质为水。常压;流体初速分别取

0m/s、3m/s、5m/s及10m/s;流体进口温度360K,流体出口温度320K;管壁温度300K。

1.4 求解模型

(1)建立求解模型利用Fluent软件进行数值模拟。求解的条件采用Segregated(非耦合求解法)、Implicit(隐式算法)、3D(三维空间)、Steady(定常流动)、Absolute(绝对速度)。

(2)设置标准k-ε湍流模型采用k-ε模型时,湍流粘性系数的取值,参考有关文献选取。

(3)设置边界条件设置流体入口边界条件、出口边界条件和壳体壁面的边界条件。

(4)设置监视器及迭代计算取不同的初速,开始迭代计算,在迭代130～150次时,计算收敛,分析其残差曲线。

2 结果与讨论

2.1 模拟结果

(1)压力场

分别模拟了不同初速的壳程流体压力场,其中,初速为5m/s的压力场分布如图2所示。

(2)速度矢量场分别模拟了不同初速的壳程流体速度矢量场,其中,初速为5m/s的速度矢量场如图3所示。

(3)速度矢量场的温度分布分别模拟了不同初速下壳程流体速度矢量场的温度分布,其中,初速为5m/s时速度矢量场的温度分布如图4所示。

(4)特殊平面压力分布图以初速为

10m/s进行运算,创建x=0平面的压力分布图,如图5所示。

(5)流线图以初速10m/s进行运算,流体从进口到出口沿壳程的流线图如图6所示。

(6)XY曲线以初速为10m/s进行计算,分析管壳式换热器内流体压力的分布,绘制XY 曲线。取坐标系内点(0.02,0.02,0.2)和点(0.02,0.02,-0.2),构成的曲线变化如图7所示。

2.2 结果讨论

(1)在利用Fluent进行数值模拟时,使用二阶离散化方法,可以避免一阶离散化方法计算结果收敛性不理想、数据上下波动的情况。

(2)流场压力特性

由图2和图6可知,流体在入口处和出口处产生较大的压降,而流过每一块折流板的压降相对较小,并且流过每一块折流板的压降基本相同。对于换热器壳程流场的总压力分布,从图

2、图6及图7可看出,沿着流动方向整体呈下降趋势。

(3)流场速度矢量

由图3可知,由于折流板的存在,速度呈现周期性改变;换热管的存在,使流体之间的掺混更为剧烈;在每一块折流板附近,都存在一个流速较低的区域;在进出口区域,流体流速有较

大的变化。

(4)流场温度分布

由图4可知,温度沿壳程流向逐渐减小,且随折流板个数的增加,温度的下降幅度逐渐变小。初速为