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CFD仿真分析在換熱器設計中的應用

點擊:1654 日期:[ 2014-04-26 22:06:01 ]
                               CFD仿真分析在換熱器設計中的應用                                  邱雄飛,畢新剛,劉盛田,翟悅                    (中國船舶重工集團公司第七一八研究所,河北邯鄲056027) 摘 要: 用于化學激光器尾氣降溫的換熱器對流動阻力要求非常苛刻,因此本文用CFD方法對換熱器初步 設計方案的可行性進行驗證。建立了換熱器CFD計算模型,采用標準k-ω兩方程湍流模型對換熱器的湍流流動和 換熱進行了仿真計算。仿真結果表明,壓力降遠低于允許值,初步設計方案可行,但是換熱效果稍差,建議適當減小管 間距,既充分利用流動阻力的許用值,又增強換熱效果。 關鍵詞: CFD;仿真;換熱器 中圖分類號: TF066·2 文獻標識碼: A 文章編號: 1672-7649(2008)06Z-0304-04 DOI:10·3404/j·issn·1672-7649·2008·06·072 0 引 言 換熱器是工業常用的熱交換設備,傳熱計算是換 熱器設計中最重要的環節之一。目前,換熱器的傳熱 設計主要依據從試驗總結出來的經驗關聯式。由于 試驗工況有限,因此各種關聯式都有一定的適用范 圍,很多特殊的工況往往找不到合適的關聯式來進行 計算。此外,采用關聯式進行計算只能得到平均值, 無法得到各項參數在時間和空間上的分布。因此,一 些設計中的潛在缺陷往往到試驗階段才會被發現,不 僅存在安全隱患,而且往往也隨之造成較大的經濟損 失。計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics, 簡稱CFD)是建立在經典流體動力學與數值計算方法基礎上的一門獨立學科,它通過計算機數值計算和 圖像顯示的方法,在時間和空間上定量描述流場的數 值解,從而達到對物理問題研究的目的。CFD分析 方法可以獲得整個流場的數值解,有助于預先發現設 計中的潛在缺陷。 為了對化學激光器高溫燃氣進行降溫冷卻需要 采用換熱器,但是對換熱器的流動阻力要求非常苛 刻。為了驗證初步設計的可行性,并最大限度地降低 換熱器的流動阻力,提高換熱效果,本文采用CFD分 析方法,建立了燃氣側的CFD計算模型,應用CFD 軟件Fluen,t進行了仿真分析,獲得了燃氣側的整個 流場的參數分布,并根據仿真分析結果對初步設計方 案中換熱管的布置提出了改進建議。 1 換熱器仿真模型的建立 1·1 已知條件 化學激光器排出的燃氣壓力低于1個大氣壓,燃 氣速度較高,具有一定的可壓縮性;燃氣溫度較高,與 換熱管之間的溫差較大。以上工況與關聯式要求的 工況有一定的差異,難以找到非常合適的關聯式來進 行燃氣側的傳熱計算。在初步設計中,選用了工況相 對接近的一個關聯式來進行傳熱設計。燃氣參數如 表1所示。 換熱器的初步設計方案:列管氏換熱器,換熱管 沿燃氣流動的垂直方向布置,正三角形排布,換熱管 材料為黃銅。冷卻介質為水,水在換熱管內流動,燃 氣在換熱管外流動。換熱器尺寸參數如表2所示。 1·2 幾何模型的簡化 在實際仿真計算中,由于受到計算機硬件和其他 方面的限制,很難對1臺完整的換熱器建立計算模 型,因此需要對幾何模型進行適當的簡化,選取最能 代表換熱器特征參數變化規律的區域進行分析求解 本文是針對換熱器的換熱管排布進行優化設計 因此選擇了換熱管長度方向的中間截面來進行仿真 分析。簡化后的二維計算幾何模型如圖1所示。其 中edge2為燃氣入口,edge4為燃氣出口,edge1和 edge5為殼體壁面,edge3為換熱管。 1·3 模型建立及網格劃分[1] 由于截面圖形較為簡單,直接采用建模工具 Gambit軟件建立幾何模型,并進行網格劃分。在燃 氣側,換熱主要集中在換熱管附近,該區域內溫度、壓 力、速度等參數梯度較大。由于換熱器的外形尺寸和 換熱管直徑相差懸殊,要捕捉到換熱管附近的流動和 換熱,就要求該區域內的網格尺寸足夠小。如果采用 統一的網格尺寸,那將導致網格數量急劇增大,加大計算的工作量。而在遠離換熱管的區域采用非常細 密的網格也是沒有必要的。為此,利用尺寸函數 (sizefunction)工具[2]進行網格劃分。使用尺寸函數 后,在設定的最大作用區域內,某一點的網格尺寸與 該點離尺寸函數作用的邊(或者是點、線、面等)的距 離成負指數關系。在劃分網格之前,將尺寸函數作用 于所有代表換熱管的邊edge3。采用較稀疏的尺寸 進行網格劃分,劃分出來的網格只在緊貼換熱管附近 區域較為細密,在遠離換熱管區域較為稀疏,如圖2 所示。這既能捕捉到換熱管附近較高梯度的溫度、壓 力、速度等流場參數變化,又不至于明顯加大計算工 作量。 1·4 求解器參數與邊界條件設定 燃氣的可壓縮性不可忽略,為此選用Density based求解器。由于燃氣側雷諾數較低,因此采用了 standardк-ω湍流模型,考慮了過渡流狀態、可壓縮效 應以及剪切效應。已知條件中只包含入口總溫、總 壓,缺少出口壓力條件(這需要由計算來獲得)。因 已知質量流量,為此采用了Fluent提供的target-mass-flow-rate工具[5]。采用該工具后,將出口邊界設定為 壓力出口,設定燃氣的目標質量流量為換熱器燃氣側 的真實質量流量。先估計燃氣流過換熱器的流動阻 力,從而獲得出口壓力,作為出口壓力邊界條件的初 始設定值。fluent求解器根據設定的初始出口壓力進 行計算,得到一個對應于設定出口壓力的質量流量, 將該質量流量與設定的目標質量流量進行比較,并根 據偏差按式(1)自動調整出口壓力,直到計算得到的 質量流量與設定的目標質量流量的差值低于1個足 夠小的值為止。 2 仿真結果分析 將gambit劃分后的計算網格導入Fluent中,并 按上述湍流模型和表3所示邊界條件進行設定,使用 Fluent5/6求解器進行求解計算直至收斂。 換熱管附近的流線分布如圖3所示,可以發現在 換熱管正后方存在一個充滿漩渦的尾流區。該細小 區域內的劇烈流場參數變化已經被捕捉到了,證明采 用sizefunction劃分后的計算網格已經足夠細密。 溫度場分布云圖如圖4所示,可見換熱管的影響 圖4區域限于換熱管后面如火焰狀的一個區域。在 該區域內燃氣溫度明顯降低,而通過換熱管之間間隙 的燃氣溫度則沒有得到明顯降低,需要由下游換熱管 來繼續冷卻。因此,沿edge4方向,如火焰狀的換熱 管影響區域與非影響區域交替出現,影響區域內溫度 較低,非影響區域內溫度較高。由圖4還發現,從換 熱管與殼體壁面之間間隙通過的燃氣溫度降低得較 小,因此,在滿足設計要求的前提下,換熱管離殼體壁 面的距離應設置得盡量小,以減少從該區域流過的燃 氣量。換熱器出口燃氣溫度沿edge4方向幾乎成周期性的上下振蕩,如圖5所示。燃氣通過換熱器后的 進出口平均溫差為224·5K。周期性振蕩的出口溫 度說明換熱管對氣流的擾動不夠強烈,管間距選擇 過大。 由于受換熱管繞流的影響,在換熱管正后方燃氣 流速達到極小值,而在換熱管之間的間隙處燃氣流速 達到極大值,同樣沿edge4方向呈周期性的上下振 蕩,如圖6所示;出口壓力波動不大,如圖7所示。燃 氣通過換熱器后的壓差約為60Pa,流動阻力較小。 3 結 語 1)仿真結果表明,換熱器的流動阻力約為60 Pa,遠低于允許值,因此換熱器初步設計方案可行。 但是,尾氣進出口溫差僅為224·5K,換熱效果稍差。 2)初步設計中換熱管的間距較大,換熱管的繞 流不夠強烈,影響區域小,流動阻力較小,這也是換熱 效果差的重要原因,傳熱系數還有進一步增大的空 間。建議適當減小換熱管的間距,增加每一排的換熱 管數量,既強化換熱,又充分利用流動阻力的允許值。 3)從換熱管和邊壁之間間隙通過的燃氣溫度降 低較小,在滿足結構設計要求的前提下,應盡量減小 換熱管離邊壁的距離。 參考文獻: [1] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT:流體工程仿真計算機 實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004. [2] FluentInc.Gambit2·3TutorialandUser sGuide[Z]. 2006. [3] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社, 2005. [4] 王福軍.計算流體動力學分析———CFD軟件原理與應 用[M].北京:清華大學出版社,2004. [5] FluentInc.Fluent6·3TutorialandUser sGuide[Z]. 2006. 
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