管壳式换热器管壳程流场及温度场分布的数值模拟研究.docx
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管壳式换热器管壳程流场及温度场分布的数值模拟研究
管壳式换热器管壳程流场及温度场分布的数值模拟研究
摘要
换热器是一种为实现热量交换而诞生的设备,在众多的领域都应用广泛。
换热器换热效率的高低直接影响着企业的经济效益与生产效益,所以研究管壳式换热器的流动与传热更有利于提高换热器的换热效率。
本文对管壳式换热器内部管程和壳程流体的流场与温度场进行数值模拟。
以管壳式换热器管程和壳程的热量交换过程,建立管壳式换热器的三维模型,模拟管壳式换热器在换热过程中的流场和温度场,分析失效对换热器内流场和温度场的影响,同时结合实测数据进行分析。
根据对管壳式换热器内模拟温度场和流场的结果,发现在靠近管壳式换热器壳程换热管的温度出现了较大的波动,这是因为这个部位的换热管受到壳程流体的集中冲刷。
换热管中流体流速分布不均匀,因此引起了换热管内温度分布的不均匀,这会使换热器内部产生较大的热应力,导致管板和换热器管壳程连接失效。
将模拟结果与实验数据进行分析对比,发现模拟结果与实际情况基本符合,说明本课题对管壳式换热器内部的流场与温度场的模拟与分析是可行的。
关键词:
管壳式换热器,FLUENT软件,数值模拟,流场,温度场
Numericalsimulationontemperaturefieldoftubeandshellinshellandtubeheatexchanger
ABSTRACT
Heatexchangerdeviceasarealizationofheatexchangeinmanyindustrialareasarewidelyused.Heattransferefficiencydirectlyaffectstheproductionefficiency,thestudyofshellandtubeheatexchangerflowandheattransferitisveryimportant.
Inthispaper,forcedconvectioninsidetheheatexchangerandheattransfertheoryanalysis.Shellandtubeheatexchangersforheatexchangeprocess,theestablishmentofthree-dimensionalmodelofshell-and-tubeheatexchangers,shellandtubeheatexchangersimulationinforcedconvectionflowfieldandtemperaturefieldanalysisofthefailureoftheheatexchangerflowimpactandtemperaturefields,combinedwiththemeasureddataforanalysis.
Accordingtotheresultsoftheheatexchangersimulationoftemperaturefieldandflowfieldwasfoundneartheheatexchangershelltemperatureoftheheattransfertubes,therewasgreatervolatility,becausethispartoftheheatexchangefluidintheshellsincebeensetshockanderosion.Andthispartoftheshell-sidefluidflowratemaximum.Severeheatexchangetubesunevenvelocitydistribution,whichisthecauseofseriousuneventemperaturedistributionintheheattransfertubes,whichcanleadtogreaterthermalstress,whichledtothetubeplateconnectionfailure.
Afterthesimulationresultsarecomparedwiththemeasureddata,wefoundthatthesimulationresultswiththeactualsituation,thesubjectofashellandtubeheatexchangerinsidethesimulationandanalysisofflowandtemperaturefieldsisfeasible.
KeyWords:
Shell-tubeheatexchanger,SoftwareFLUENT,Numericalsimulation,Flow-field,Temperature-fie
第1章绪论
1.1课题的来源及意义
再越来越注重效率的当今社会,社会对节能设备工艺的研究和开发的投入越来越大,换热器作为换热设备随处可见,在工业中的应用非常普遍,特别是耗能量比较大的领域。
随着节能技术的发展,换热器的种类开发越来越多。
适用于不同温度、不同介质、不同压力、不同工况的换热器结构和形式亦不相同,换热器种类随新型,高效换热器的开发不断更新。
管壳式换热器在工业上的应用有着悠久的历史,而且至今仍在所有换热器中占据主导地位。
所以研究管壳式换热器管壳程流场与温度场对提高换热器的工作效率具有很大的研究价值,与现实意义。
。
中国能源的使用量和利用效率均高于世界平均水平。
已成为行业的瓶颈,限制着能源的使用,中国的可持续发展过于低的水平。
因此,节约能源和提高能源利用效率是我们当前的首要任务。
管壳式换热器是在当今最常见的热传递设备。
可靠,成熟的技术,并在近年来有了很大的改善。
由于计算机技术的发展,计算机技术的运用已经深入到了换热的各个方面。
实验研究在传热的研究和开发的过程中具有重要作用。
计算机模拟的结果来验证准确度和精度要求以及数据复制应用程序。
本课题运用FLUENT软件直接模拟管壳式换热器管程和壳程耦合后的流场和温度场,将管壳式换热器内部介质的流动及换热情况详细地反应出来,使我们能够直观的了解换热器工作时的内部环境,进而了解换热器的失效与换热介质的传热之间的关系。
1.2换热器实验研究现状
所述管式换热器的实验研究用于获得快速搜索方法。
在1947年BergelinColurn和实验研究壳牌分区和管式换热器,壳和管布置,热交换器的故障的范围内,并且是多的实验数据。
1957年,Gupta在第一次使用监测大颗粒的热交换器示出了玻璃外壳的一侧。
在
1998年,李通过使用流量可视化技术用于重新偏转不同节段的热交换器,所述第一流体流动现象间隔件板的时间段,并且所述传热及的类比的倒数质量分析你的传热规律。
在2002年,公司,如使用在机翼管重新用于改善紧凑热交换器的条件的下表面上的针
的流动的成像方法,提高了传输线的表面热处理强化验证性能。
近年来,激光多普勒测速仪(LDV),粒子测速工具图片已经-被广泛应用于流体力学领域,目标澳大利亚游泳会为提供了有力的实验方法热交换器的实验研究,大大提高测试能力为了进一步促进顶部的实证研究具有精度高,效率高,数控指令交换的发展热交换器。
实验研究,但也有许多优点,也有缺点,如以下内容。
的研究,昂贵的实验的长周期是由几个因素,非常不同的尺寸和设计的以下简化的实验模型,原型,许多错误,创建并测量经验人员的三维测量仪,或者如果限制缺乏具有较高要求的测量误差。
对高参数实验研究的不断发展大型热交换器不足以适应于热交换器的研究和发展的需要。
随着计算机的发展,资源节约和方便的方式来最终研究它是深藏在换热器的研究。
1.3数值模拟研究现状
在管壳式换热器的液体冷却剂,在许多因素的传热效果。
目前专注和不断变化的流量和温度场的热交换过程国外的研究。
热交换器的研究和长期使用的实验方法发展的过程中,实验法的总持续时间:
建立的实验模型,将测量的实验数据,然后分析这些数据,并编译传热流体和流量设计相关的计算之后的热交换器中,以使它们可以应用到它们之间的热交换器。
随着计算机性能的提高CFD数值模拟已经成为了研究换热器的重要工具。
该过程的数值模拟可以预测流场的作用和传热,提高了热交换器的整体性能以更新的新结构的发展热交换器。
数值方法不仅直观,灵活,成本低,周期短,也能处理更加复杂的情况,并具有良好的尺寸。
如第一热交换器的实际结构,使简化的假设,并在适用,该系统和坐标的壳体的热交换管已建立的流体流动的数学模型。
其次,应用由分立电路,即连续性方程得到的离散方程适当的方法。
接着,可以在换热管和许多参量的膜来获得最终模拟图。
为法的热交换器,流动和湍流特性的热交换器内的详细了解的流动和传热流体包络的学习中使用的数学建模的计算机的方法中,热交换器是用来分析和解决实际问题,在设计和快速更新和实践。
帕坦卡基金会在20世纪70年代,斯伯丁在英国做科研,思考出了壁面渗透,结合扩展性,孔隙量,壁面通透性概念讨论的深入包围液体的硬壳。
1998年,安德鲁斯和Prithiviraj维全隐式,与音量控制的技术协调的身体来模
拟圆弧输入壳程和管程流动三维模型换热设备物理学,湍流分离和分散引起的换热器管程和壳程的复杂前代应用的理论。
使用PHOENICS今年Karayannis等开始射击模拟软件模拟电流。
中国科学家在换热器的数值模拟也做了很多工作:
上海大学黄醒华等。
孔隙度,渗透性表面,分布和耐热性的分配量,以降低外壳看流路由于复杂的几何形状和阻力,热流的传递的效果,必须使用的湍流和散热效果K-生成模型一组修改到分隔壁的功能的管壳式的三维数字模型换热器壳相湍流墙面处理和壳体内壁接触的效果的基础。
与壳牌数值模拟的纵向流动Wang等人标定折流杆换热器。
首先,类似于热交换器的理论数学模型,并制作HEFLOW。
运行亥附楼程序分析里面管程和壳程耦合后的速度分布和温度分布,流动和传热性能的设计变量中的流体的状态的影响,并且使用最小二乘改变下热流体热传递和流动的标准比率的电阻的纵向截面。
西安交通大学等聂建虎,检测热交换器挡板头喷嘴流场均匀性的存在影响了头部和流场数值模拟证实了出口。
2002年特大校准,大卫胡与分布电阻当前段控方管换热器,根据计算根据热交换器的壳结构的纵向热流动性和流动性,壳式换热器的研究的纵向流动的简化计算流体的孔隙度鞘流的量的概念数值模拟模型是通过计算段简化计算模型掏出简化大规模的数值模拟任务纵向热流热交换器的方法提出了环几何原型和四个管道。
同年,世铉,多孔介质的方法的情况下,基于所述热交换器,渗透(体积孔隙率)的导入量,在表面(表面透过性)的渗透,分布式电阻等既定程序PHOENICS3.3三维流模型,围绕束用于说明热交换管。
2003西安交通大学邓斌等人参与全隐格式的管壳式换热器建模三维网格。
基于各向异性多孔介质的概念和电阻的分布,使用一个修改后的模型的K和功能集中在热交换器壳管的制造过程中的紊流的特性的墙壁。
这个使用
的各向同性多孔介质各向异性多孔介质模型,现有文献中更有效地模拟换热设备的流变性能。
2004年西安交通大学,丹Bindeng人。
为建立抗穿刺性的准连续介质的NS方程修正模型的长期和短期的复杂应用程序的体积,表面和分发过程,考虑到愈演愈烈的影响,以捆绑的产生和湍流耗散,加工壳壁和壁效应,检察机关对壳侧湍流的墙壁功能管壳式换热器和换热的三维数值模拟。
综上所述,目前对管壳式换热器的数值模拟都采用Patankar和Spalding提出的分
布电阻,表面和沙的穿透概念程度的体积孔隙率提出要研究,以减少计算工作量的流动和传热特性的热交换器壳结构的效果。
显然,计算总热阻的这种简单的方法和传热系数相应地使用。
1.4管壳式换热器概述
(1)管壳式换热器主要由壳体、管束、管板和封头等组成,壳体一般为圆形,内部装有平行管束,平行管束的两端固定于管板上。
换热管在管板上可按等边三角形或正方形排列。
等边三角形排列比较紧凑,管外流体湍动度高,传热系数大;正方形排列的管壳式换热器管外清洗方便,多用于易结垢的流体。
在实际生产中使用的热交换器,由于温度或压力的冷却剂不符合技术要求的热交换管的壳体的失败泄漏和污垢。
后系统的热束热损失是一个问题,有时混合中间管状封套形成的污垢,具有高的热稳定性,严重的情况下,流体流动的壁,方框的“死区”的形成。
管
壳式换热器分类:
1、固定板管式换热器:
优点是:
管束两端的管板与壳体是一个相连的整体体,结构简单,,且壳程不需机械清洗时的换热操作。
缺点:
只适用于换热热流体和介质流体温度相差不大的情况;适用范围窄。
2、浮头式换热器:
优点是:
管束一端的管板可自由浮动,完全消除了热应力;个管束可从壳体中抽出,便于清洗和检修。
缺点
是:
结构复杂,造价高。
3、U
型管换热器:
每根换热管皆弯成U形,两端分别固定在同一管板上下两区,借助于管箱内的隔板分成进出口两室。
优点:
完全消除了热应力,且结构相对简单。
缺点:
换热管清洗难度大,易结垢形成死区。
在实际使用中,我们发现热应力腐蚀和附加应力由于热流体和工作流体的压力,并且可以损坏气缸和换热管。
换热器管呈现三方面的故障:
管板管连接失败,无法集中振动,研磨的错误。
它可
以用来恩特雷里奥斯莱热管和管道焊接中,“更广泛的社区,焊点与三个连接肿胀的任何种类的魁的化合物可以各种形状的故障。
(1)在焊缝产生的问题是:
①不产生渗透和焊接缺陷燃烧;②凡加速腐蚀应力产生的热应力常见的焊接;③还有一定的差距恩特雷里奥斯勒孔管,管板存在,外壳复现,就会因为缝隙腐蚀。
(2)膨胀时发生连接问题:
①残余应力伸缩缝到热交换器的过程中,为了完成达到温度和腐蚀性应力的要求,密封件会很快腐蚀和击穿电压;②膨胀,在低的交叉部的电压后的伙伴,特别是,如果环境温度超过300℃时,压缩残余应力蠕变场消失时,连接是
可靠的。
(3)优势和焊接的缺点,利用通货膨胀:
这种做法有一个“更广泛的社区的优势,焊接具有以下优点:
①对重复中暑及热增强耐腐蚀性;②该化合物能提高恩特雷里奥斯应变行为;③可以消除缝隙腐蚀。
然而,当使用增加的焊接操作是比较高的,通常为硬质的情况下的操作条件。
我们常常使用流体流的方法,在壳侧,为提高热传递,提高恢复护套的效率,造成外壳的污染。
然而,流体流动和侧壳代系统来提高目标导致管振动的热交换器束的感应在另外的谐振,从而导致热交换管(暂停)开裂和失效的包。
1.5本课题的研究内容及方法
本课题运用FLUENT软件对换热器管程和壳程流体传热时的流场和温度场进行数值模拟,将换热器换热介质的流动及换热情况详细地反应出来.主要
从以下几个方面展开.
本文主要表现在以下几个方面:
(1)测定换热器正常运行工况下的参数
(2)建立换热器的物理模型:
①判断换热器中流体流动状态
②根据该换热器的结构、换热器设计相关标准和相似原理简化换热器模型的结构参数
③根据换热器工况确定模型模拟工况
④根据换热器的换热介质、换热器材质做出换热器的模型
(3)对换热器进行流温度场及流场数值模拟研究(4)将模拟结果与实际情况对比,检验模拟结果的准确度
(5)对模拟结果进行分析
第2章FLUENT数值模拟基础和湍流模型介绍
2.1数值模拟技术简介
王老师在“计算机分析软件--CFD流体力学原理与应用”的书中说到:
计算流体动力学(CFD差价合约叫)是加入了流体流动和系统的传热分析等相关物理现象后使用计算机,来执行数据处理和放大图的功能。
CFD的基本思想可以概括如下:
时间和空间区域中的原始连续物理场,速度场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,然后根据根据一定的原则和方式建立起离散点上场变量之间关系的方程组,然后通过求解上一步所建立的方程组从而获得场变量的近似值。
2.1.1CFD的特点和基本原理
1、适应性强,很宽的应用范围,计算流体动力学软件,如具体表现的优点:
①将方程建模流动问题通常是直线性,不几个独立变量,边界条件为流断面的计算必须非常复杂,通常很难得到的溶液中,但随着加工的问题接收FLUENT模拟计算的增加可能的解决方案;
②FLUENT可以执行各种数值模拟的;
③FLUENT电脑节省了时间和精力,而且还经济。
CFD是非常灵活的和有限的不必要易燃条件可以通过建模的物理模型和实验模型用于高温,并详细结果来实现。
2、但流体动力学计算软件有一定的局限性,主要表现在以下几个方面:
①数值模拟失算,作为离散近似结果是离散点只有有限数目的数值解,无法显示的形式的所有解析表达式;
②CFD物理模型的不定性描述,所以该模型对于实验必须知道是有效的,一个数学模型还需要指出的;
③CFD需要模拟这些数据的收集,汇编,这是用来确定了大量的经验和技巧,如期,数据依赖于经验。
④CFD因为它包含了大量的数字化要求,为您的计算机的配置很高。
3、CFD技术主要是基于质量守恒,动量守恒,能量守恒定律,和热力学第一和第二定律。
如果与电磁场,化学反应,和有关法律流场跟随。
流体流的量,主要体现速度,压力,密度,温度,熵,焓,等物理量。
基于该模型在船体的数学模型的接收和处理:
(1)连续性方程
∂ρ+∂(ρu)+1∂(rρv)=0
(3.1)
∂t∂xr∂r
(2)动量方程
∂
(ρu)+
∂
(ρuu)+
∂
(ρυu)=-
∂p
+μ(
∂2u
+
1∂u
+
∂2u
∂t
∂x
∂r
∂x
∂x2
r∂r
∂r2
)+ρg
(3.2)
(3)能量方程
∂∂∂
∂2T
1∂T
∂2T
cp[∂t(ρT)+∂x(ρuT)+∂r(ρυT)]=k(∂x2+r
+)
∂r∂r2
(3.3)
2.1.2FLUENT软件包的组成
CFD软件由三个功能部分组成:
前处理、求解器、后处理。
是一种具备强大流体力学计算能力的软件。
(1)预处理
预处理包括开局,TGrid,过滤器(译者)等等。
开局对能源生产,加上出色的仿真能力。
开局在三个方面主要角色:
创建几何网络,并确定边界条件。
TGrid并过滤自己的预处理器柯朗。
TGrid被用来创建卷网格边界可以通过转换为分布式计算等软件过滤生成的现有控制。
将用于由处理器开局的问题。
(2)决策
该解决方案是基于用于计算所述流体按照专业领域可分为以下几种:
基于一个共同的基于CFD的结构网格①FLUENT4.5求解器;
基于共同的CFD②FLUENT6.2.16非结构化网格求解器;
基于有限元求解器③Fidap,解决这个问题,主要是用来模拟流固耦合;
④Polyflow粘弹性流将被引导到一个专用的CFD决定性;
⑤Mixsim专门的软件进行混合CFD模型的问题;
⑥Icepak尤其是对于热分析。
使用FLUENT6.3解决问题。
(3)处理器后
流利的求解器是非常强大的后处理。
此外,相对于TECPLOT
专业的后处理。
TECPLOT可以使用数据显示器的一部分。
2.1.3FLUENT计算步骤
运用FLUENT进行模拟的主要步骤如下:
(1)模型。
模型应的技术问题的性质来反映,即要考虑到差分变量和条件之间的方程为相应的限制相关的问题。
这部分是指理论。
(2)查找计算的适当的方法。
离散方法有:
有限差分法、有限体积法、有限解析法、有限元法等。
(3)模型网格,做出正确的边界条件和初始条件。
设定共同的正确的控制设置。
(4)云和显示结果的载体。
2.2控制方程的离散
有限体积法,用于积分方程,可以保证保护的离散方程的性质的出口,而在系数的物理意义上的离散方程清楚,目前最广泛使用的方法。
本文使用计算机流体力学软件FLUENT对换热器管壳程温度场进行数值模拟,FLUENT采用的就是有
限体积法对控制方程的离散。
本次课题采用控制容积积分的方法,推导出离散容积的控制方程,对所有的控制方程用统一的形式进行离散,方程(3.1)~(3.3)可以写成如下通用的形式:
∂(ρ·φ)··
∂t+div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ
(3.4)
φ
其中,ρ·为广义密度项,Γφ为实际的扩散系数,S·为广义源项。
2.3湍流的数值模拟
环境的湍流和机器制造厂是流动的一个非常普遍的类型,流体也适用于湍流对流热量从热以热的最常见形式。
湍流是一种不规则的流体运动,其速度,压
力等物理量随空间和时间不规则的变化;湍流一个交换过程据认为,如果没有为过渡湍流运动稳定连续性方程和Navier-Stokes方程仍然适用。
在直接模拟模型,大涡模拟和雷诺为类似于方程的方法目前动荡数字的方法,后两种是间接模拟。
求解过程的紊流的成本,如果直接方程的求解,我们直接需要执行仿真计算机的一种方法,但它是不可能应用的方法在实践中的工程。
该方法被广泛应用于工程瞬态方程平均处理时间将被视
为一个紊流在一个时间平均流被叠加在随机波动值,除了方程的湍流的其它特征的反应,如湍流动能方程和湍流耗散速率(式中),和类似物。
直接数值模拟是指电网的动荡直接求解瞬时Navier-Stokes方程湍流没有简单或粗糙的大小的规模,理论上可以得到相对准确的结果。
在需要使用非常小的空间和时间步骤,区分湍流结构的详细快速变化的时空特征,这是很苛刻的在你的电脑的性能,现在是该方法不能用来计算的真正含义的项目,
在直接对象建模过程中使用的数字仿真。
2.4压力修正SIMPLE算法
下面对SIMPLE算法进行介绍。
将离散后的动量方程迭代求解得到u·和v·,此时的解并不是收敛解,对其进行修正如下:
u=u·+u',v=v·+v',p=p·+p'
其中,u’,v’,p’分别表示速度与压力的修正量。
(3.10)
根据帕坦卡教授的思想,u’,v’的修正量可以用下面的式子进行计算:
u'=d(p'-p'),u'=d(p'-p'),
eepEwwwp
(3.11)
v'=d(p'-p'),v'=d(p'-p')
nnpNsssp
于是,改进后的速度场为:
ue=ue
+
de
(p'
-p'),u
=uw
+
dw
(p'
-p')
(3.12)
p
E
W
p
w
v=v+d(p'-p'),v=v+d(p'-p')
(3.13)
nnnpNssssp
将改进后的速度带入到如下离散的连续性方程:
[(ρu)e-(ρuw)]rp∆rp+[(rρv)n-(rρv)s]∆xp=0
(3.14)
将(3.11)
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