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FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场
FLUENT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 FLUENT 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FLUENT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。
FLU2ENT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。
45FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场
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800mm40006mm
300换热管数量25
换热管直径mm
57
113 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FluentFluent5。
(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(qwall。
(4输出网格文件 选择FileExportMesh,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0ms、3ms、5ms及10ms;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21,5ms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5ms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5ms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
ms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10ms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
(6XY曲线 以初速为10ms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(0102,0102,012和点(0102,0102,-012,构成的曲线变化如图7所示。
72(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5ms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
65FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场
结果与实际情况相符,说明计算模型合适。
本文利用FLUENT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 PatankarSV,SpaldingDB.Heatexchangerdesignthe2orysourcebook.MCGRAW-HILLBookCompany,NewYork,1974.
2 PrithivirajM,AndrewsMJ.Threedimensionalnumer2icalsimulationofshell-and-tubeheatexchangers.PartI:
Heattransfer.NumericalHeatTransfer,PartA,
1998,33(8:
817~828
3 PrithivirajM,AndrewsMJ.Threedimensionalnumeri2calsimulationofshell-and-tubeheatexchangers.Part:
Heattransfer.NumericalHeatTransfer,PartA,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.FLUENT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
《化工装备技术》第27卷第3期2006
年
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- FLUENT 软件 模拟 管壳 换热器 三维