FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场

FL UENT 软件模拟管壳式换热器壳程三维流场
刘利平 3黄万年
(郑州大学化工学院
摘要 -, , T 软件进行了三维数、温度场和压力场 , , 。

管壳式换热器数值模拟 FLU EN T 多孔介质分布阻力模型
0前言
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 EN T 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。

FLU EN T 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 2 EN T 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
111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 3刘利平 , 女 , 1965年 6月生 , 副教授。

郑州市 , 450002。

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般可取局部单向化条件。

112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。

图 1管壳式换热器的结构
表 1参数 800 mm 40006 mm
300换热管数量 25
换热管直径 mm
57
113 GAM B IT 网格模型
(1 确定求解器选择用于进行 CFD 计算的求解器 , 为 F luen t F luen t 5。

(2 创建换热器模型及划分网格利用GAM B IT 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 GAM B IT 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 (in let 、出口 (ou tlet 、管壁 (gw all 以及壳壁 (qw all 。

(4 输出网格文件选择 F ile Expo rt M esh , 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 。

114求解模型
(1 建立求解模型利用 F luen t 软件进行
数值模拟。

求解的条件采用 Segregated (非耦合求解法、 I m p licit (
隐式算法、 3D (三维空间、 Steady (定常流动、 A b so lu te (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 21, 5m s 的压力场分布 2所示。

图 2压力分布图
(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。

图 3速度矢量场
(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。

5
5《化工装备技术》第 27卷第 3期 2006年
图 4速度矢量场的温度分布
(4
m s 进行运算 , 创建 x =0
, 如图 5图 5压力分布 (x =0
(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。

图 6流线图
(6 X Y 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 X Y 曲线。

取坐标系内点 (0102, 0102, 012 和点 (0102, 0102, -012 , 构成的曲线变化如图 7所示。

72( 在利用 F luen t 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 5m s 的流体 , 温度的变化范围为317154K ~360101K 。

(5 流线图分析图 6显示的是流体从进口到出口的流线图 , 该图共设置了 10条流线 , 清晰地描述了流体的流动轨迹。

3结论
本文以常用的弓形折流板管壳式换热器为研究对象 , 对换热器的壳程三维流场进行了流动与传热数值模拟。

在不同的流体初速下 , 得到了换热器壳程流体压力场、温度场及速度矢量场等的分布图 , 并对结果进行了讨论 , 计算
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结果与实际情况相符 , 说明计算模型合适。

本文利用 FLU EN T 软件进行的换热器壳程流场三维数值模拟 , 是对换热器数值研究的有益探索。

参考文献
1 Patankar S V , Spalding D B . H eat exchanger design the
2 o ry source book . M CGRAW -H I LL Book Company , N ew Yo rk , 1974.
2 P rith ivirajM , A ndrew sM J . T h ree di m ensi onal num er 2 ical si m ulati on of shell -and -tube heat exchangers . Part I :H eat transfer . N um erical H eat T ransfer , Part A ,
1998, 33(8 :817~828
3 P rith ivirajM , A ndrew sM J . T h ree di m ensi onal num eri 2 cal si m ulati on of shell -and -tube heat exchangers . Part :H eat transfer . N um erical H eat T ransfer , Part A , 1998, 33(8 :829~831
4邓斌 , 陶文铨 . 管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究 . 西
安交通大学学报 , 2003.
5黄兴华 . 管壳式换热器壳侧单相和两相流动的数值模拟和实验研究 :[博士论文 ]. 西安 :西安交通大学 , 1998. 6陶文铨 . 数值传热学 . 西安 :西安交通大学出版社 , 2001. 7韩占忠 , 王敬 , 兰小平 . FLU EN T 流体工程仿真计算实例
与应用 . 北京 :北京理工大学出版社 , 2004.
(收稿日期 :2005210220
卧式热管式直管板空气预热器
邓琳 3邓克天
(大连熵立得传热技术有限公司
摘要
较 , 。

绕有翅片 , 单位体积换热面积相对较大。

与其他形式的空气预热器相比 , 热管式空气预热器的体积小、原材料消耗小。

这种特点使得热管式空气预热器在石油、化工、冶金等行业的热能合理利用上有着广泛的应用。

常用的热管式空气预热器可分为立式和卧式两种 , 其中卧式结构在清灰等方面的优点更突出 , 在条件允许的情况下 , 卧式结构更值得推荐。

因此在卧式结构设计中提出改革就有很大的意义。

1直管板和斜管板结构的对比分析
111卧式热管式空气预热器的结构形式机理的限制 , 必须采用热管与水平方向成一定角度旋转的形式 (此角度一般为 5°
~15°。

其组成部分主要分为 :热管、两侧管板、中间管板、侧箱板及框架等 , 见图 1。

除热管外 , 其它部分均为钢结构件。

这些结构件中 , 最耗材料的部分就是管板。

在这几块管板中 , 以中间管板所受的重力载荷为最大。

设备的管板设计在整台设备的结构设计中尤为重要。

如果能将管板的载荷分布设计在管板的最大承载点上 , 就可以使设备的箱体重量减小 , 使设备本体稳定牢固。

同时 , 原材料的使用量亦可减少。

这种设想在斜管板式结构中无法实现。

即使热管可以在与水平成 5°角的情况下正常换热 , 其管板也会因为倾斜放置而产生受力不均。

考虑到此问题 , 管
3邓琳 , 女 , 1974年 9月生 , 助理工程师。

大连市 , 116600。

75
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年。