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管殼式換熱器數值模擬的流動模型比較

點擊:1424 日期:[ 2014-04-26 22:13:50 ]
                            管殼式換熱器數值模擬的流動模型比較                                  熊智強  喻九陽  夏文武                        (武漢工程大學機械工程學院  湖北武漢430074)     摘要:基于計算流體動力學(CFD)技術,分別用LVEL模型、標準kε模型對管殼式換熱器進行數值模擬,并把內管入口和出口的流動方向速度進行對比,依此判斷計算的準確性,來尋找適合于管殼式換熱器數值模擬的合理模型.經過計算可以判斷:LVEL模型和標準kε模型計算出的流場基本一致.LVEL模型已足夠準確、耗時也較小,對于管殼式換熱器的數值模擬是適用的,是做換熱器模擬時一種較好的選擇.     關鍵詞:CFD;管殼式換熱器;流動模型     中圖分類號:TK172   文獻標識碼:A     0 引 言     管殼式換熱器在石油、化工工業中應用很普遍,約占國內換熱器市場中的70%.加強對其的研究,有十分明顯的現實意義.     在傳統的設計中,由于流體的基本方程難以獲得解析解,人們主要利用經驗公式進行計算,其精度難以獲得保證.現在由于計算機技術的飛速發展,以個人計算機為基礎的計算流體動力學(CFD)技術獲得了迅猛發展[1,2],并出現了一些通用的流體計算商用軟件.現在CFD已能夠成熟地模擬流體流動、傳熱傳質、化學反應和其它復雜的物理現象,可使用10多個成熟的離散格式和各種常用的湍流模型,例如:層流模型、混合長度模型、kε模型、低雷諾數kε模型、代數雷諾應力模型.利用它們對換熱器進行模擬,以較低的代價找到提高傳熱效率的方法是一種很好的選擇.     對大型的換熱器,由于計算機容量的限制,現在常用的方法是用多孔介質模型,但其各向滲透率要由實驗獲得,否則根據經驗確定,往往有很大誤差.即使依照根據相似原則建立的模型獲得的實驗值來計算,也經常存在30%左右的誤差,而在對換熱器進行優化時,這種誤差足夠把各種方案的區別掩蓋,所以對小型的換熱器進行直接模擬,找出規律后向大型換熱器推廣有十分重要的意義.     在對換熱器進行模擬時使用什么樣的流動模型,是模擬時必須做的選擇,但文獻中卻極少涉及[3].本文以單管管殼式換熱器為研究對象,分別使用LVEL模型、標準kε模型,并比較其結果,作為模型選擇的參考.     1 計算說明     換熱器幾何結構如圖1所示,尺寸如表1所示.管程流體和殼程流體相同,均為空氣或水,參數如表2、表3所示.用有限容積法離散.離散采取hquick格式.為保證計算精度,消除數值粘性,對局部網格加密,如圖2所示.迭代次數為5000.                  2 流動模型     換熱器穩定工作時,其內介質可看作定常流動,又因為溫差、壓差很小,密度不變.忽略重力影響,不計熱輻射.雷諾數遠大于2900,適用于湍流的連續方程、動量方程、能量方程[4].                 這個方程組由6個方程組成,有u1、u2、u3、p、v、T和脈動相關量共12個未知數,方程組需添加方程個數才可解.     2.1 LVEL模型     這個模型由spalding[5]所提出,本質上是一種0方程模型,添加方程為                2.2 標準kε模型標準kε模型是一種2方程模型,添加方程為                速度和壓力邊界條件:物面無滑移:u=v=w=0;進出口處邊界條件如表2、表3所示.     溫度邊界條件:殼壁:q=0管壁:q1=-q2;q1,q2分別為殼程流體、管程流體的換熱量.     利用統一的控制方程                分別把以上方程用hquick格式離散后求解.     3 計算結果     根據連續方程,在只有一個方向明顯有速度時,進出口速度應相等.以管程進口50mm和離出口50mm處的沿管向速度值為監測點.     3.1 LVEL模型     介質為空氣時的計算結果如圖3所示.     (12.28-12.21)÷12.21×100%=0.5%     3.2 標準kε模型     質為空氣時的計算結果如圖5所示.     (12.04-11.75)÷11.75×100%=2.47%     同時檢驗其管程和殼程的進出口質量的計算誤差都在1%以內.     另外,從計算時間來看,兩者為1:1.1.筆者曾用LVEL模型計算一個21根換熱管的換熱器,以水作為流動介質,并將進出口溫差和壓差、進出口速度和實驗值相比較,結果均非常令人滿意.     4 結 語     通過以上分析,按數值計算10%的可接受誤差來看,兩種模型和實際情形都可基本相吻合.LVEL模型和標準k-ε模型計算出的流場基本一致.LVEL模型已足夠準確、耗時也較小,對于管殼式換熱器的數值模擬是適用的,
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