气液两相流动和传热的数值模拟研究

关键词：管壳式换热器；两相流动；相变换热；数值模拟
分类号：ＴＫｌ７２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—５８８４（２０１２）０５＿０３４５＿０３
Ｓｔｕｄｖ ｏｎ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇａｓ—ｌｉｑｕｉｄ Ｔｗｏ．ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ ａｎｄ Ｈｅ融 Ｔｍｎｓｆｅｒ ｏｆ Ｓｈｅｌｌ Ｓｉｄｅ ｉｎ ａ Ｓｈｅｌｌ ａｎｄ Ｔｕｂｅ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ
Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＵＤＦ）ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｎＩｌｕｌａ． ｎｏｗ ｍｅｄｉａ ｏｆ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓｈｅｌｌ—ｓｉｄｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｃｃｕ而ｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｇａｓ·ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｎｏｗ ａｒｅ
方便快捷。因此有效合理的利用数值模拟的研究，有助于推 动换热器流动和传热研究的进一步发展怛Ｊ。
以往对换热器壳侧的研究主要集中在单相对流的研 究＂“，，而对于存在相变换热情况下流体介质的两相流动及 换热情况的研究较少，主要是以通过实验的方法测量部分参 数再取其平均数的方法来估计流动规律，无法得到流场内部 具体的流动和换热细节。本文针对管壳式换热器壳侧流动 介质在流动过程中发生相变换热及两相流动，参考汽水转化 公式¨１，利用ＦＬｕＥＮＴ软件的自定义函数（ｕＤＦ）功能编写了 质量源与能量源的转化，耦合到流动方程中，研究分析了壳 侧的速度场、温度场、压力场及相的体积分布参数。
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（ｃ）温度场散点分布
图７壳侧横截面各流场散点分布图
３结论
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万方数据
本文以弓形折流板管壳式换热器为研究对象。对其壳程 三维流场进行了相变传热与两相流动的数值模拟。得到以下 结论：
ｅｘｃｈ锄ｇｅ；ｎ啪ｅｒｉｃａｌ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｅｕ ａｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ；ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｎｏｗ；ｐｈ鹪ｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｈ翰ｔ
—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
０前言
管壳式换热器广泛应用于电站、船舶、石油化工及制冷 空调等领域的换热设备中。而管壳式换热器在这些领域工 作过程中，往往存在着大量的相变换热及两相流动问题，对 换热器本身的传热效率及使用寿命等有着至关重要的影 响…。由于壳侧特殊复杂的物理结构，使得流体在流动过程 中受到折流板或壳壁的挤压与碰撞，使得两相流动及换热情 况变得更加复杂，并有着很大的不可预测性，给其研究带来 了很大的困难。随着电子计算机技术的发展，越来越多的数 值模拟技术应用于换热器的传热研究，比起实验研究的方 法，数值模拟的方法更容易模拟较复杂或较理想的工况，通 过分析软件可以得到流体的流动分布场，温度场及速度矢量 场等，使得对换热器及其传热的研究更加清楚明了，且更加
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图２壳侧凝结水体积分布图
２．２速度场分布 从图３换热器入口接管横向截面速度矢量图（ｚ＝一
１００ｍｍ、ｚ＝一２８２ｍｍ）可知，蒸汽从换热器人口接管进入壳 程后，受到换热管柬的横向阻隔，使主流体被分流并沿管束 内缝隙向前流动，流体速度在被换热管束分流的同时突然增 加，其余的分流沿壳壁向下流动。在流体向前流动过程中经 过折流板的折流到达换热器接管出口．在出口处，从管束流 下的分流与沿壳壁面流下的分流汇到一起，从出口流出，并 速度有增大。
（３）在折流板圆缺处及排水缺口处，流体的流速、温度及 压强都有着很大的变化．说明这些区域有着较大的工作强 度，随着长时间的使用工作，势必造成局部的过早老化及破 损，使换热器寿命降低。所以需要对上述区域进行特殊处理 以确保换热器的使用寿命，避免局部过早损坏。
（下转第４００页）
汽轮机技术
第５４卷
叶和隔板恢复，即完全恢复至机组原低压缸设计状态，汽轮 机排汽背压同时恢复至５．４ｋＰａ。机组采用这种优化措施。只 需再备一套原低压缸后三级的动叶和静叶，增加少量动静叶 片备品备件和叶片拆装费用，但机组每一次拆装叶片，低压 转子都需要返厂做动平衡，机组供热期前后的检修期加长。
本文主要研究换热器壳侧流体介质高温水蒸汽在换热 过程中发生相变和两相流动过程，因此不考虑换热管管壁厚 度的影响，并认定水蒸汽与换热管间的传热只发生在垂直换 热管方向上，忽略冷却水与管壁之间的对流换热，将换热管 壁面作恒温壁面处理，温度为２９３Ｋ。
２计算结果及分析
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（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００ｌ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｓ ｔｈｅ
第５４卷第５期
２０１２年１０月
汽轮机技术
ＴＵＲＢＩＮＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖ０１．５４ Ｎｏ．５ ０ｃｔ．２０１２
管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热 的数值模拟研究
吕金丽，戈 锐，李 想，张玉宝
（哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨１５０００１）
摘要：采用数值模拟方法，使用ＦＬｕＥＮＴ对管壳式换热器壳侧的两相流动及相变传热进行了模拟计算。根据壳侧
度为５ｍ／ｓ；流体介质的物性参数如表２。
表２
高温饱和水蒸汽物性参数
１．９６７
２ ２４０．８
０．０２８ ５
１．３５４ ３×ｌＯ一５ ４．４１８ ３７９×１０８
得到一个可以完整表述流体沿壳程流动情况的截面，以便更 清楚的研究流体流动的发展变化，选取ｘ＝９．５ｍｍ作为纵向 参考截面。为了观察壳程流体在横向截面流动的特点，选取 ｚ＝一１００ｍｍ（入口接管处）、ｚ＝一ｌｌｏｏｍｍ（出口接管处）作 为横向参考截面。 ２．１凝结水体积分布
第５４卷
根据所研究问题的几何参数，如表１。利用ＦＬｕＥＮＴ前
处理软件ＧＡＭＢＩＴ对所研究问题建立三维物理模型，采用 ＴＧ耐方式的四面体和金字塔网格对换热器物理模型进行网
格划分，结果如图ｌ所示。
图ｌ 三维模型及网格示意图
１．２求解器及模型的选择
选用分离隐式求解器，采用基于交错网格的ｓＩＭＰＬＥ算
法来处理压力速度耦合方程，选用一阶迎风差分格式对控制
流体流动特点，选定合适的湍流模型、两相流模型为混合物模型，并根据汽水转化公式编写了自定义函数ｕＤＦ来描
述相变过程质和量的传递。对管壳式换热器壳侧的流体介质换热发生相变并产生气液两相流动进行了三维的数
值模拟研究。得到了管壳式换热器壳程的速度场、温度场、压力场及气液各相的分布情况，对壳侧气液两相流动及
相变换热进行了分析。对具有相变情况下的管壳式换热器的结构设计起到参考指导作用。
体积界面的物理量进行离散；选择混合物模型作为两相流的
计算模型，并考虑相间的速度滑移；选取标准的｜｜｝一占双方程
湍流模型，采用标准壁面函数法对近壁区域流动进行处理。
（３）边界条件及初始条件设置
对换热器接管入口选取速度入口边界条件，出口选取压
力出口边界条件；对壳体壁面和折流板壁面采用不可渗透、
无滑移绝热壁面边界条件；入口为４１３Ｋ高温饱和水蒸汽，速
ｌ 物理模型及数值方法
１．１模型建立
收稿日期：２０１２＿０２－２５
基金项目：哈尔滨工程大学２０１１年研究生培养基金，经费项目代码为００２０７００１０６０９１ｌ。
作者简介：吕金丽（１９６５一），女，湖南宁乡，副教授，工学硕士，主要研究方向：机械ｃＡＤ／ｃＡＭ技术，流体流动数值模拟。
万方数据
３４６
汽轮机技术
从图２壳侧凝结水体积分布图可看出，换热器出口接管 处水的体积分数最大，将近达到了２×１０。数量级，说明入口 的饱和水蒸汽流经换热器壳侧与换热管进行了对流换热后， 大部分蒸汽冷凝相变，凝结为液体的水从出口接管流出。凝 结主要从流体流过第一块折流板后开始，从图中可以看出， 液体相的体积分数很少，是因为不断通入的高温蒸汽持续给 之前流进换热器的气体加热，所以凝结量很少，并随着流体 的继续向前流动，凝结量渐渐增多，至最后一块折流板时，凝 结量达到最大，大部分蒸汽已从汽态凝结为液态。
ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｎｏｗ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ． Ａ ｔｕｒｂｕｋｎｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ａ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ‰ｗ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｓｅｌｅｅｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｈｅｌｌ—ｓｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ，ｔｈｅ Ｐａｐｅｒ ｗｒｉｔｅｓ Ｕｓｅｒ—ｄｅｆｉｎｅｄ
（１）高温饱和水蒸汽由入口进入换热器并沿壳程流动， 期间与换热管发生换热，使其相变为液态水并由入口流出。 根据质量守恒定律，计算结果与理论情况相符，证明ｕＤＦ的 编写中对源项转化的描述及添加、相关模型的选择和条件的 设置合理。
（２）折流板背部处区域有较多的小漩涡，流体流速很慢， 导致温度变化范围小，凝结水体积分布相对较大，说明低流 速导致凝结水的聚集，影响了传热系数，不利于换热的进行。
万方数据
第５期
吕金丽等：管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究
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图４壳侧纵向截面速度矢量图
处出现速度突增的现象，在折流板背后部形成许多低速的小 漩涡。即称为折流板换热器的流动死区。 ２．３温度场分布
从图５换热器壳侧总体温度变化图可知，高温饱和水蒸 汽从换热器人口接管进入换热器后，温度从人口到出口逐渐 降低，但其降低趋势并不是均匀的，在每两块折流板间都有 一个新的温度段，并随流体的流动方向降低。并可以清晰地 看到第一块折板与第二块折流板中间的温度下部与上部有 明显的不同，说明温度的变化趋势与流体流动的规律是有关 系的。
为了方便对模拟计算结果的分析，以换热器入口壳体端 面圆心为中心建立坐标系，且壳程方向沿坐标系一ｚ轴方 向。根据换热管的排列位置关系，分别选取横、纵截面对模 拟结果进行观察与分析。为了避开换热管的影响，从而能够
图３出入口接管横向截面速度矢量图
从图４换热器的壳侧纵向参考截面速度矢量分布（．）｜ｆ＝ ９．５ｍｍ，局部）可知，流体介质在换热器壳侧呈现返混流形 式，但壳程内整体流体受迫呈“ｚ”字形流动，在折流析圆缺
ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ３ Ｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ６ｅｌｄ，ｔｅｍｐｅｍｔｕｒｅ ６ｅｌｄ，Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ６ｅｌｄ ａｎｄ ｇａｓ一１ｉｑｕｉｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ ｓｈｅｌｌ ｓｉｄｅ．Ｔｈｅ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｎｏｗ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ｓｈｅｌｌ一ｓｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅｓｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｓｏｍｅ Ｖａｌｕａｂｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏＶｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｕｂｅ ｅｏｎｄｅｎｓｅｒ ｓｔｎｌｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ．