FLUENT軟件對管殼式換熱器殼程流體數(shù)值模擬方法可行性的驗(yàn)證

1、2007 年第6期2007Nd 6管道技術(shù)與設(shè)備Pipeline Technique and EquijiiientFLUENT軟件對管殼式換熱器殼程流體數(shù)值模擬方法可行性的驗(yàn)證王艷云】，李志安I劉紅禹1宿 萌1,孟令一呂春紅2(L沈陽化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院.遼寧沈陽110142;2.沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司.遼寧沈陽110043;3.沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司.遼寧沈陽110168)摘要：鑒于單弓形折流板管売式換熱器應(yīng)用的廣泛性.對傳統(tǒng)單弓形折流板管売式換熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證 了 FLUENT軟件應(yīng)用到管売式換熱器殼程流休數(shù)值模擬方法的可行性，并為換熱器其它殼程艾撐結(jié)構(gòu)的研究提供

2、了一定 的理論依據(jù).關(guān)鍵詞:換熱器；單弓形折流板;FLUENT軟件：數(shù)值模擬中圖分類號(hào):TE965文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào):1004 9614(2007) 06- 0046- 03Confirmation of the Feasibility of FLUENT Software Applied to the Shell SideFluid Numerical Emulation of the 3ielDand2Tube Heat ExchangerWANG YanZyml LI ZhiZe】1. UU Hcnyu2, SU Meng1 A1ENG Linyi3. LB Chunihong2(1

3、. Dq)onioineat of Mechanical Engmeeiimg, Shenyang Institute of Chemical Tedinolo, Sliengyang 110142, China;2. Sbengyang Hui bo Heat Energy Equipment Co., Ltd, Shenyang 110043, China;3. Shenyang Asun Robot & Automation Co., Ltd. Shenyang 11016& China)Abstract: As for die wild use of a shelEan

4、dJnibe heat exchanger with sngle seguaital baffles, its uumencal smnilatiai was camp lied and aialyd, which confinns die feasibilf y of FLUENT software appliedfcr the shell side fluid numerical sunilatioii c£ shelPandJtxibfhear exchanger and prodded some thecreucal evidence for studying other h

5、eat exchangers Key words: heat exchanger; single segmeilal baffles; ELUENT; numerical sinulation0引言管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)加工工藝成熟.安全可靠.適應(yīng)性強(qiáng).被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、能源動(dòng)力、輕工、制 藥、徴晶、農(nóng)業(yè)以及海水淡化等行業(yè)領(lǐng)域中。管殼式換熱器M 殼程的支撐結(jié)構(gòu)不同，其亞程流體涼動(dòng)形態(tài)和傳熱性能也不 同傳統(tǒng)的管禿式換熱器大多采用單弓形折流板.鑒于其應(yīng) 用的廣泛性,對傳統(tǒng)E弓形折流板管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬 分析.強(qiáng)證FLUENT軟件應(yīng)用到管殼式換熱器殼程流體數(shù)值模 擬方法的町行

6、性，并為其他殼程支撐結(jié)構(gòu)的研究提供了一定的 理論依據(jù)。數(shù)值模擬方法切是計(jì)篦流體力學(xué)、計(jì)算傳熱學(xué)的新的研 究方法.采用數(shù)值模擬方法對包括殼程縱向流換熱器在內(nèi)的 各種換熱器進(jìn)行分析9研究.以促進(jìn)對換熱器各種性能的進(jìn)一 步研究與丿F發(fā)(2成為當(dāng)今換熱器研究的車要方向。D前數(shù)值模擬方法對換熱器，尤臥足對借芫式換熱器応程 的整體傳熱、流場分析.已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用.并取得了一定 的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益.1換熱器數(shù)學(xué)模型及簡化111基本控制方程為了便于分析，作如卜簡化設(shè)定:流體為牛頓流體；流體物 性為常數(shù);流體橫向?qū)岷雎圆挥?jì)W ®換熱器殼程流體的流 動(dòng)和熱量傳遞必須滿足如卜3個(gè)方程：連續(xù)性方程:動(dòng)量

7、方程:x方向:y方向:z方向:能吊方程:9T9T 丄 9T , 9T 十 u z+ 11 匹 + 9v+ 9w= 09x 9y 9zX9 u x 9u x 9uu v + w *9x 9y 9z90 9P 亠 c9x* 9才 9zJ x9t '9：u9x9z學(xué)+u|l+、黑+藏器 9t 9x 9y 9z,9z-+ g、Q、 9w 979w丄 9v丄+ u k V 9?+ W9y9xz9w9?汽+制+ &Q9t * u 9x ' 9y J 9zQ一(1)(2)(3)(4)(5)式中:u,v和w分別為x. y和z方向的速度分M,m/s; gx, gy和 氐分別為x.y及z方

8、向的重力加速度重力影響可忽略不計(jì)；t為時(shí)間s: q為比定壓熱容.J/(kg#K); L為流體黏度. P巖s: K為導(dǎo)熱系數(shù).V/(m#K) ;Q為流體密度.kgm3; T為溫 fi.Kp為壓力.Pa因模擬為思態(tài)過程，所以式屮參昱對時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)取0 °2007 年第6期2007Nd 6收稿日師啓0布 Aina Academic Journal Electronic Publish躡H勲流模型和琶褂?Served, 48Pipeline Technique and EquiptneniNod 200?圖1單弓形折流板換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖由于傳統(tǒng)單弓形折流板換熱器殼程流體呈對稱分布，因此

9、以1/2換熱器為研究對彖進(jìn)It建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)定邊界條件、 初始條件、選杼il算模塑。(1)入口邊界條件力程入口：u= un;p= phm；T= T$iB; k= kn;E= Ea管程入口：T= TlB式屮:k為渦流疑脈動(dòng)動(dòng)能;E為湍流耗敬率；下標(biāo)s為殼程,t為管程,m為入LL(2)出口邊界條件Z9T, 9k 9E禿程出 口： = 0; = 0; = 0 9n 9n 9n9Tt管程出口：一= 0;9n(3)對稱性條件一般工業(yè)上應(yīng)用的換熱器，換熱管束的布置采用對稱的竹 束布究方式.因此換熱器流體流動(dòng)通道具冇對稱性gv Ow 9p ot 9ky= o平Ifti(x2z 平而)：石二或= 0; =

10、 0;莎=0;0;9n(4)初始條件圖3單弓形折流板換熱器殼程流體溫度云圖由圖3、圖4可知溫度分布沿殼體徑向存在較大的梯度. 傳熱不均勻；殼程壓力損失較大，需要改進(jìn)急需研究新些的換 熱器。H詢.螺旋折流板換熱器、矩形幾板換熱器等已用于實(shí)際匚程當(dāng)中。圖4草弓形折流板換熱器殼程流體壓力云圖當(dāng)初始時(shí)刻t= 0時(shí)，有初始條件禿程：u= 11032 m/s; Ts= 298K;de= 31 inm k= 0;E= 0LlWJbl87na Academic Journal Electronic PublishiW乜無壕刪軸超旌效昴詡W歸傳統(tǒng)單':通過對云圖的M觀比較使得很難描繪1IKJI體觀律，&

11、#169;某因湍流效應(yīng)對流動(dòng)與傳熱仃 淀的影響故采用k) EH方 曲模吃。采用分離受址法(Segxtgated)隱式(Imphcit)求解.保 證收斂的穩(wěn)泄性；爪力和速度解耦采用SIMPLE算法(SemilnQ plicf Method for PressureLinked Equaliai)可；動(dòng)吊八能彊以及湍流 參吊的求解采用階迎風(fēng)格式(Second Older Upmd)(刃；質(zhì)吊及 能雖計(jì)算殘差控制在10一 '數(shù)量級(jí)計(jì)算流體進(jìn)口采用速度入 口條件給定流體流速、溫度及相應(yīng)的湍流條件；出口采用自由 出口邊界條件；売體壁面采用不可滲透、無滑移絕熱邊 界.并給定換熱管唯而溫度；穩(wěn)態(tài)不可

12、壓縮求解.2計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)處理單弓形折流板換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如卜：殼體5 273 mm 8 inm.氏度 1 632 ma 換熱管 5 25 mn215 inni 管數(shù) n= 40 肚 管間距32 nun呈正三角形排列，采用圓缺度為25%(面枳)的單 弓形折流板，折流板間距為200 inn.厚度為6inm.殼程流體為 空氣.入口溫度25 e，其密度Q= 11067 kg m3.動(dòng)力黏度L= 18125LPas,熱傳導(dǎo)率= 01029 W/(wffK),比泄壓熱容 cp= 11005 kJ, (kK),其質(zhì)屋流量Qa= 202115 kg/lr必程進(jìn)口平均 速度u二11032 m s.管程采用恒定

13、壁溫為105 e飽和水蒸氣，換熱符采用不銹鋼TL內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。經(jīng)FECENT軟件數(shù)值模擬肩得到取弓形折流板換熱器殼程 流體速度、溫度、爪力云圖如圖2圖4所示。圖2-圖4中數(shù) 值的單位分別為m/s、K、Pa.圖2單弓形折流板換熱器殼程流體速度云圖由圖2可知，沿殼體軸線方向.受折流板的阻流作用.單弓 形折流板換熱器殼程流動(dòng)呆格體的/ ZD吃流動(dòng)，流體主流速度 與折流板法向夾角很小，這樣的沖擊在折流板正面形成很大的 速度梯度，同時(shí)由F流通截面的突變而在圓缺處形成高速流動(dòng) 區(qū)和折沆板背面的回流區(qū)，即流動(dòng)死區(qū)。流動(dòng)死區(qū)的存在既增 加殼程壓力損失，又減小了殼程換熱效率【刃。形折流板換熱器模型進(jìn)

14、行圖形與數(shù)學(xué)計(jì)篦相結(jié)合的方式來獲 宙速皮場號(hào)溫度場和流動(dòng)聊力的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式.由于FLUENT軟 件只能得岀速度、溫度等細(xì)觀數(shù)據(jù)，不能直接得出速度場號(hào)溫 度場準(zhǔn)則關(guān)系式，為此將對其進(jìn)行公式推導(dǎo)。該模型雷諾數(shù) &、努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu計(jì)算式【分別為：Re=(6)Nu=警(7)式中:札為當(dāng)量直徑,m. de= 4Ao S; Ao為流體流過的面積,m2； S為流體的潤濕周長,nx Us為殼程流體平行流流速，m/s;A)為 殼程流體給熱系數(shù),W/(n?#K)°由于換熱器管程通水蒸氣，殼程通空氣，因?yàn)樗羝淠?膜系數(shù)A» 因此，由傳熱方程并假設(shè)壁面光滑.換熱管內(nèi) 外壁的污垢熱阻呻叫

15、可忽略不計(jì),壁面熱阻式中：山為內(nèi)徑;do為外徑；m為厚度;K為壁濕卜的導(dǎo)熱系 數(shù)。以外表面枳為咸準(zhǔn)的換熱器總傳熱系數(shù)K近似表示為丞嚴(yán)d?+ AK可由換熱量求出.通過式(6)、式(7)計(jì)算并數(shù)值模擬換 熱器禿程的Re和Nui,如表1所示。表1換熱器殼程的Re和Nu數(shù)據(jù)流 &/(keih'i)売程Re殼程N(yùn)U(模擬)殼IV Nu2(計(jì)算)721112 5132219723 78109 143 7632815529167144 225 C843315133 0118a 296 352381583H5721(3 337 6824217444 61253 248 773461034712

16、5擬合成如下關(guān)系式Nu= 01301 Re'叫嚴(yán)(4嚴(yán)(8)式中：g為壁溫卜的流體黏度pr為普朗常數(shù)。對于丁程常用單弓形折流板管殼式換熱器殼程流體流向 和流速的不斷變化.在Re> 100時(shí)即達(dá)到湍流。這時(shí)管外流體 對流傳熱系數(shù)的計(jì)算，要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)選用適宜的理論計(jì)算 式.當(dāng)管外裝存圓缺度為25% (而積)的單弓形折流板且Re= 210106Z間時(shí)，可用式(9)i| ffNu:Nu= 01 36Reffl55PrV3( L/ U)0114(9)根據(jù)式(9)和表1中的Re計(jì)第出一系列的Nu：數(shù)值.見表1.經(jīng)過式(8)、式(9)計(jì)算出數(shù)值模擬與理論計(jì)算得Nu值與 Re值、并對其進(jìn)行比較

17、，應(yīng)用Origin軟件繪制出在雙對數(shù)坐標(biāo) 系中的Nu) Re關(guān)系曲線如圖5.從圖5中可以看出,FLUENT軟件數(shù)值模擬計(jì)算值與理論 il Wffi II 接近，兩者的IgNu與lgRr關(guān)系都呈良好線性。經(jīng) 過兩條曲線相比較，苴誤差約為815%< 10%,說明應(yīng)用FLL2R能夠滿足工程需要。圖5 Nu與Re在雙對數(shù)坐標(biāo)系中的關(guān)系圖3結(jié)束語釆用工程常用的單弓形折流板竹止式換熱器為研究對彖, 進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而擬ft(BNu值與&值的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。 通過與二程常用的理論關(guān)系式進(jìn)行比較分析，得出兩者曲線十 分接近并H.滿足匸程要求.從而證明了 HUENT軟件對管殼式 換熱器殼程流體數(shù)值

18、模擬的方法具右可行性.通過數(shù)值模擬. 證明了 FLUENT軟件對蟲程縱向流換熱器進(jìn)彳j流體流動(dòng)和代熱 數(shù)值模擬計(jì)算A仃很巫要的工程應(yīng)用價(jià)值,為無程縱向流管直 式換熱衣的研究、設(shè)計(jì)開發(fā)提供了仃效的手段和工具。參考文獻(xiàn)：1 楊m.M文栓傳熱學(xué).3版.北京：高等教fr出版禮.1998: 157- 162 346- 348.2 吳金址，劉敏珊,朮英武.等換熱器泮束支撐結(jié)構(gòu)對芫程性能的 影血化匸機(jī)械:2002.29(2): 108- 111.3 王定標(biāo)-縱流殼程換熱器數(shù)值模擬技術(shù)打應(yīng)川：學(xué)位論文上 海:華東理工大學(xué),20004 錢頌文.換熱器管束流體力學(xué)與傳熱.北京:中國石化出版*1：, 2OQ2.5 吳塑.流體力學(xué).北京:北京大學(xué)出版社，19826 王補(bǔ)宜.匸程彳做傳質(zhì)學(xué)北京：科學(xué)出版IE. 19827 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析北京：消華人學(xué)出版Ik, 2DW.8 PATANKAR S V. Nmiencal heat trantfa and fluid flwr. New Ya