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上海快3一定牛走势: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

點擊:1436 日期:[ 2014-04-26 21:35:33 ]
             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                              古 新,董其伍,王 珂                   (鄭州大學熱能工程研究中心,河南鄭州 450002)     摘 要:根據管殼式換熱器的結構特點,采用基于管殼式換熱器真實三維實體模型的幾何建模方案,提出了管殼式換熱器周期性全截面計算模型,實現了具有復雜殼程結構的管殼式換熱器的數值模擬,克服了現有數值模擬建模方式的一些不足,為再現和模擬管殼式換熱器殼程的真實流動狀況,以及分析各種構件對殼程流體流動和傳熱性能的影響提供了良好的輔助手段。在綜合考慮折流桿換熱器殼程流體流動與傳熱的多方面影響因素下,提出了對折流桿換熱器周期性單元流道模型的修正算法,改進和完善了折流桿換熱器周期性單元流道計算模型的實用性和適用性。     關鍵詞:管殼式換熱器;周期性;計算模型;數值模擬;修正算法     中圖分類號:TK124  文獻標識碼:A  文章編號: 1001-4837(2008)05-0001-05     管殼式換熱器是目前國內外換熱設備的主要結構形式,其強化傳熱性能的優劣對于工業節能具有重要影響。     高效節能過程裝備及其現代設計研究方法的開發是當今工程節能的重要手段。高效換熱器技術的發展以計算流體力學(Computational Fluid Dynam-ics,CFD)、模型化技術、強化傳熱技術及新型換熱器開發等形成了一個高技術體系[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,而殼程中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重要影響。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,對設計高效可靠的換熱器以及評價和改造現有換熱器的性能是十分必要的。     1·管殼式換熱器數值模擬常用模型簡介目前主要的管殼式換熱器數值模擬建模形式有3種:多孔介質模型、實體模型、周期性單元流道模型。     1. 1 多孔介質模型[2~6]     將殼程的管、擋板、隔板等視為多孔介質,易于從宏觀上模擬換熱器殼程的流體流動和傳熱性能。由于該類模型過于簡化換熱器的內部結構,模擬結果并不能準確反映關鍵局部區域的真實流動和傳熱狀況等重要細觀信息,而且部分重要輸入參數與換熱器的結構形式、幾何尺寸和流經的介質有關,通常通過試驗確定,若根據經驗來確定這些參數,又不易保證數值模擬的準確性,故在使用范圍上有所局限,尤其是進行新型殼程支撐結構的流場和溫度場研究時,往往難以應對。     1. 2 實體模型     文獻[7]在作出相應簡化和假設后,采用了實體模型對縱向流換熱器的流體流動和傳熱特性進行了數值模擬,定性分析了縱向流換熱器的流體流動和傳熱特性,但未給出試驗驗證用以考核數值模擬的準確性。     1. 3 周期性單元流道模型     文獻[8]提出了周期性單元流道模型簡化計算方法,可以有效地簡化縱向流換熱器的數值模擬計算。然而,單元流道模型適用于換熱管束和管束支撐結構呈對稱分布的某些縱向流管殼式換熱器,對于不具備上述結構特征的管殼式換熱器,如折流板換熱器、螺旋板換熱器等,是無法這樣簡化的;對于殼體直徑較小的管殼式換熱器,即使符合單元流道對稱性的簡化要求,由于筒體壁面附近布管區的非規則單元流道內的流體流動和傳熱與筒體中心主流區的規則單元流道有較大差別,故在這類情況下,單元流道模型模擬結果與實際工況有較大偏差。     2·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     確定能夠描述換熱器真實結構和工作狀態的數值模擬建模方案,同時兼顧數值計算規模和效率,對客觀、準確、詳盡地反映換熱器內流場和溫度場的特性至關重要。鑒于上述建模方式在適用性等方面的不足,文中提出了管殼式換熱器周期性全截面計算模型,用于殼程流體流動和傳熱性能的數值模擬研究。     2. 1 數學模型     基于不可壓縮的牛頓型流體,在常物性和宏觀熱能守恒的假設下,管殼式換熱器殼程流體流動和傳熱必須滿足以下3個控制方程[9, 10]。                   2. 2 幾何模型     對于典型管殼式換熱器幾何結構,殼程流道呈周期性變化,且某些類型兼具對稱性??淺萄亓魈辶鞫較蚩梢曰治詼?、周期性充分發展段和出口段。一般來說,換熱器殼程大部分換熱段處于周期性充分發展段,該區域的流體流動和傳熱性能,很大程度上反映了換熱器的整體性能,因此,建立周期性計算模型,是快捷、高效地對管殼式換熱器進行數值模擬研究的重要方法。     對于周期性充分發展流動,如果溫度變化有限,物性參數不變時,則有周期性的流動特性:                   在對其幾何結構作出了一定簡化后,可建立典型管殼式換熱器的周期性全截面計算模型(由于結構的對稱性,建模時取相對稱的半個實體即可),如圖1所示。     2. 3 計算方法和邊界條件                                   采用分塊劃分、結構化和非結構化網格相結合的方式對模型進行網格劃分,近壁節點采用壁面函數法處理,采用標準k-ε湍流模型計算湍流參量的影響;采用分離求解器,控制體積界面的物理量均應用二階迎風差分格式獲取;采用SIMPLE算法處理壓力和速度的耦合問題;假定換熱管壁恒溫,殼程介質為水或空氣,物性參數取定性溫度下的常量;給定殼程流體的進口質量流量及相應的溫度和湍流條件;殼程整體計算模型的進、出口分別為質量進口和壓力出口邊界條件,周期性模型的進、出口為周期性邊界條件;殼體壁面和管束支撐裝置采用不可滲透、無滑移絕熱邊界條件。     2. 4 計算結果與分析     采用周期性全截面計算模型的某管殼式換熱器數值模擬結果列于表1。     建立管殼式換熱器殼程整體模型并進行計算,提取其各個周期段的相關數據,將這些數據與周期性全截面計算模型的計算結果進行對比,可驗證周期性全截面計算模型及其計算結果的可靠性。圖2~5所示為管殼式換熱器殼程整體計算模型的數值模擬結果。                                   為便于對比,將殼程整體計算模型與周期性全截面計算模型的計算結果列于表2。由表2可見,采用兩種計算模型,計算結果的誤差相當小。理論分析和數值模擬結果均表明,管殼式換熱器數值模擬計算模型的周期性簡化是成立的。     3·折流桿換熱器周期性單元流道模型計算結果的修正算法     針對上文提及的周期性單元流道模型在適用性方面的一些不足,結合折流桿換熱器周期性全截面計算模型,提出了對前者計算結果的修正算法,以進一步發展和完善周期性單元流道計算模型。圖6~11所示為采用兩類計算模型在同一工況下的計算結果。                                 以常溫下水作為殼程介質,殼程當量Re分別取為6000, 10000, 15000,對公稱直徑分別為200, 300,400, 500和600 mm的折流桿換熱器周期性全截面計算模型,在折流柵間距分別為50 mm和150 mm的正方形布管情況下進行研究,分析全截面模型與單元流道模型計算結果的差別,并確定對后者殼程流體對流換熱器系數和壓力梯度計算結果的修正算法。     可見,隨著換熱器筒體直徑的增加,周期性全截面計算模型的對流換熱系數和壓力梯度的計算結果越來越與周期性單元流道的模擬結果相接近。故在換熱器筒體直徑足夠大時,采用周期性單元流道計算模型的模擬結果表征殼程流體總體流動和傳熱性能是有實際意義的,然而筒體直徑較小時,周期性單元流道模型的計算結果與實際工況有較大差別,須采用合理方式予以修正。     利用最小二乘法原理,應用多元線性回歸對不同直徑的周期性全截面計算模型在不同Re下的數值模擬結果進行擬合,再與周期性單元流道模型的計算結果進行對比,可以得到后者的殼程流體對流換熱系數和壓力梯度的修正關聯式分別為:                    4·結論     (1)根據管殼式換熱器結構特征,提出了周期性全截面計算模型進行管殼式換熱器數值模擬,彌補了現有數值模擬建模方式的一些不足,實現了具有復雜殼程結構的管殼式換熱器殼程流場和溫度場的數值模擬,為發現和解決管殼式換熱器中與局部位置流體流動和傳熱細節相關的深層次問題提供了良好的輔助手段;     (2)基于管殼式換熱器周期性全截面計算模型,在綜合考慮折流桿換熱器殼程流體流動與傳熱的多方面影響因素下,提出了對折流桿換熱器周期性單元流道模型的修正算法,給出了殼程流體對流換熱系數和壓降的修正關聯式,改進和提高了折流桿換熱器周期性單元流道模型的實用性和適用性,為新型縱向流管束支撐結構的開發和以數值模擬方法進行具有工業規?;蝗壬璞傅拇群土髯櫳閱茉す籃托閱芨慕?提供了理論與工程應用的依據。     參考文獻:略
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