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油-水列管式換熱器流場的數值模擬

點擊:1749 日期:[ 2014-04-26 21:35:29 ]
                       油-水列管式換熱器流場的數值模擬             黃林,張勇,劉水長,李鵬,謝文滔,董雷,吳林華,林齊健                  (湖南工業大學機械工程學院,湖南株洲412007)     摘要:根據某工程用油-水列管式換熱器結構,建立了其數值模型,采用前處理軟件icem cfd對求解域進行離散,獲得非結構化網格,然后利用計算流體力學(CFD)軟件fluent求解油-水列管式換熱器的流場,得到了該油-水列管式換熱器的溫度場、壓力場和流線圖。仿真結果分析表明:采用CFD軟件數值模擬流場,所得結果可信,可作為傳統設計方法的有益補充,且可對該換熱器結構進行諸多優化。     關鍵詞:油-水列管式換熱器;換熱器流場;數值模擬;CFD     中圖分類號:TK172文獻標志碼:A文章編號:1673-9833(2011)05-0029-04     0·引言      換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備,又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的重要設備。換熱器種類很多,其中的列管式是應用較多的一種。傳統列管式換熱器的設計,以往只能依據理論公式和經驗,從熱力學角度進行設計,以滿足工程需要。隨著節能減排理念的深入,應用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)技術,從流場出發對換熱器內部結構進行細節設計和優化,成為過程裝備及其現代設計研究的重點,其與強化傳熱技術、模型優化技術及新型換熱器開發技術等構成了當今節能工程的高技術體系[1]。      管殼式換熱器的性能是由管程和殼程內流體流動及相互耦合作用決定的,管程內流體的流動與傳熱可以通過準則關系式進行計算,而殼程內流體的流動與傳熱特性則要復雜得多,且殼程流體的流動分布狀態對換熱器的總體性能有較大影響。因此,以數值模擬的方式準確地預測管殼式換熱器殼程流體的流動和傳熱特性,對進行換熱器高效可靠設計及評價和優化其性能是十分必要的[2]。     應用CFD技術模擬管殼式換熱器無相變殼程流場,最早在1974年提出,當時受計算機與計算流體力學條件的限制,研究進展緩慢。自20世紀80年代以來,換熱器數值模擬研究有了較快進展,但國內外開展二維研究的較多,三維研究相對較少,國內初步形成了直接數值模擬法和多孔介質模擬法[3-4]。本文主要采用直接模擬法研究小型油-水列管式換熱器,并利用CFD技術進行數值仿真分析。     1·模型的建立     1.1幾何模型     根據某工程中使用的機油-水冷列管式換熱器結構,建立如圖1所示幾何模型。                  為便于仿真計算,建模時將法蘭盤等進行了簡化處理。該換熱器材料為6063鋁合金制造,管程為冷卻水,殼程為潤滑油,換熱管總數為10根,管束排列方式為正三角形,其它幾何參數見表1。                  1.2網格模型     根據有限元數值分析的需要,將幾何模型處理成片體,并進行容差曲面縫合,采用icem10.0進行有限體積法的非結構化網格劃分,考慮到傳熱流體雷諾數不大,將流經換熱器管壁的附面層劃分為棱柱體網格。機油-水冷換熱器為二相流換熱,流固傳熱,建立2個流體仿真域,定義6種邊界,即高溫油入口(oilinlet)和出口(oiloutlet),冷卻水入口(waterinlet)和出口(wateroutlet),因封頭、折邊、筒體與外界空氣接觸,故設為壁面1(wall1),管板和管束的2個側面與流體接觸并傳熱,設置為壁面2(wall2)。經光順后,網格數量為125萬單元體,其有限元網格模型如圖2所示。                  1.3數學模型     不考慮換熱器與空氣熱交換造成的能量損失,根據文獻[5],本文采用式(1)所示三維流體守恒通用數學模型,即:                  數學模型是進行流體流場計算的理論基礎,紊流模型采用k-ε模型。對連續方程而言Φ=1;動量方程Φ=(u,v,w);紊流脈動動能方程Φ=k;紊流耗散率方程Φ=ε。     1.4求解模型     1)建立求解模型。利用Fluent12.0版CFD軟件進行數值計算,求解條件采用Segregated(分離求解法)、Implicit(隱式算法)、3D(三維空間)、Steady(穩態)、Absolute(絕對速度)。     2)設置k-ε湍流模型。采用k-ε的RNG模型,開啟能量方程,并考慮重力加速度,采用SIMPLE迭代法,采用的差分格式為一階迎風差分,壓力變量p用線性松弛法迭代求解,殘差要求小于1e-06。     3)設置邊界條件。根據有限元網格模型邊界定義類型和數學模型,為方便計算,忽略殼體與空氣的換熱。殼體材料、傳熱介質水和油的熱力學常數均在求解器中通過菜單選擇。參數設置后,進行流場初始化,輸入的邊界條件如表2所示。                 2·結果與討論     2.1數值模擬結果     1)計算收斂性。數值計算條件如下:硬件系統采用Dell Inc.PowerEdge T710服務器,處理器為Intel(R)Xeon(R)CPU,X5660(24 CPUs),2.8GHz,內存為49152MB RAM。操作系統為Windows Server 2008 R2Enterprise 64-bit。根據控制方程式(1)進行求解,監測控制方程每一步的數值迭代求解結果與各控制方程離散形式之間的吻合程度,迭代計算至450步左右時,殘差已小于1e-06,達到收斂要求,殘差監測曲線如圖3所示。                 2)主要部位模擬結果。根據邊界條件,模擬了管束表面和折邊部分位置的流體壓力場、管束表面和管板的溫度場、管程和殼程流線圖,模擬結果如圖4~6所示。                             2.2分析與討論     由圖6可見,冷卻水從入口進入管程,由于初動能在封頭域內形成較大渦流,增大了壓力損失,進而在出口處壓力較小,導致出口流速緩慢,降低了換熱效果。冷卻水進入封頭域內,據流線圖6可見,絕大多數水從底部幾根管子流走,從而導致圖5中D點附近出現較大面積的低溫區,而上層流動較少,在圖5中C點區域出現較大面積的高溫區,這一結果很好地印證了溫度場與流場結果的一致性。同時圖5也說明換熱器存在明顯的局部高溫,且溫差較大。圖6的管程流線圖還說明,冷卻水在底部幾個管子流動較快,而上層部分管子流動緩慢甚至沒有流動,即存在明顯的流量不均勻現象。     另外,由圖4可見,在進水口封頭A點區域,由于入口動能較大,對封頭的沖擊較大,形成正高壓區,而在出水口B點區域,由于臨近外界,從而形成低負壓區。這就要求對進出口接管區域進行補強圈加強,這一仿真計算結果恰好與傳統換熱器的細節設計理論[6]及工程應用實踐中的做法吻合,說明以上仿真結果具有一定的可信度。     以上仿真分析表明:該油-水列管式換熱器從換熱效果來講,存在缺陷,應從接管位置布置、封頭結構、進出口位置、流向和殼程內部結構等方面進行優化設計。     3·結論     通過仿真計算可得出如下結論:     1)利用CFD數值仿真技術對換熱器進行有限元分析,可以從流場角度出發,為換熱器提供先進的設計手段。通過對流線圖、壓力場云圖、溫度場云圖的分析表明,仿真結果具有較高的可信度。     2)通過流場分析,可見該油-水列管式換熱器在結構上存在缺陷,可以進行諸多優化,該結論為今后的優化設計提供了依據,是一項有益的探索,限于篇幅限制,優化設計部分另文說明。     3)為便于仿真計算,忽略了殼體與外界空氣的換熱,幾何模型也進行了簡化,這可能會導致仿真結果與工程實際情況存在差異,還需以后在實踐中通過儀器進行測試修正。 參考文獻: [1]董其伍,劉敏珊.換熱設備CAD系統開發技術[M].北京:化學工業出版社,2004:5-6. [2]古新,董其伍,王珂.基于三維實體模型的管殼式換熱器殼程流場和溫度場數值研究[J].壓力容器,2008(5):1-5. [3]劉利平,黃萬年.FLUENT軟件模擬管殼式換熱器殼程三維流場[J].化工裝備技術,2006,27(3):54-56. [4]謝洪虎,江楠.管殼式換熱器殼程流體流動與換熱的數值模擬[J].化學工程,2009,37(9):9-12. [5]陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,1988:32-44. [6]鄭津洋,董其伍,桑芝富.過程設備設計[M].2版.北京:化學工業出版社,2005:234-256. [7]文海剛.管道擴張室的數值模擬與形狀優化[J].湖南工業大學學報,2008,22(4):72-74. [8]朱輝,湛含輝,李燦,等.迪恩渦運動規律的數值研究[J].湖南工業大學學報,2009,23(3):58-62.(責任編輯:李玉珍)
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