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      管殼式換熱器流場數值以及模擬方法

      點擊:1528 日期:[ 2014-04-26 22:21:42 ]
                              管殼式換熱器流場數值以及模擬方法                                 熊智強 喻九陽 熊智斌 (1.武漢工程大學機械工程學院,湖北武漢:430074;2.武漢市六指中學,湖北武漢:430331)   摘要:介紹了對管殼式換熱器研究的基本方法。對數值模擬的優缺點和模擬的軟件做了簡要介紹,并對常用于管殼式換熱器的兩種方法:直接數值模擬和多孔介質模型兩種類別作了明確闡述。   關鍵詞;數值模擬 管殼式換熱器CFD   中圖分類號:TK172 文獻標識碼:A 文章編號:1671—3524(2006)03—0045—02     1.引言     換熱設備廣泛應用于能源、動力、核能、石油、制冷、化工和加工處理等工程技術領域[1],管殼式換熱器占國內換熱器市場的7O 左右,是應用最廣的一種換熱器。其運行費用占全廠的正常運行和操作費用的相當大的一部分。隨著能源問題的日益突出,要求強化傳熱過程,提高換熱設備的傳熱能力以提高系統的熱效率、節約投資費用、提高經濟效益或滿足某些特殊的工藝要求,如快速加熱、急冷、設備微型化、高熱流密度或小溫差傳熱等。然而傳統的管殼式換熱器單位體積的傳熱面積較低,傳熱系數不高,難以滿足要求。所以,以各種方法來研究換熱器以強化傳熱越來越得到重視,已發展成為一個重要的專門領域,近年來,數值模擬成為一種重要工具。     2 換熱器研究方法    計算流體力學(computational fluid dynamics簡稱CFD)、理論流體力學、實驗流體力學是研究流動的三種主要手段。由于流體的基本方程中速度、溫度、壓力耦合,因此難以獲得解析解。特別是在管殼式換熱器中流體流動一般為湍流,更是加大了計算難度,且實際應用的管殼式換熱器中管的數量大,獲得解析解幾乎是不可能的[2]。所以人們廣泛依靠實驗來作為基本研究方法。而試驗結果受實驗設備、操作水平等諸多因素影響,且費用相對較高?,F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)分析軟件獲得了迅猛發 展。它的長處是適應性強、應用面廣,可以選擇不同流動參數進行各項有效性和敏感性試驗,從而進行方案比較,有較大的靈活性。而且它能給出詳細和完整的資料,可視性強。     但CFD技術艱深的理論背景與流體力學問題的復雜多變阻礙了它向工業界進一步推廣。一般工程技術人員很難較深入地了解這門學科,CFD軟件使用起來也不容易,因為總有不少條件、參數要根據具體問題以及運算過程隨時做出修改、調整,若不熟悉方法和程序,往往會束手無策。此外,前、后處理也顯得較為棘手,這在某種程度上妨礙了其進一步擴大實際應用范圍。而且流動機理不明的問題,數值工作無法進行;數值工作自身仍然有許多理論問題有待解決;離散化不僅引起定量的誤差,同時有可能也會引起定性的誤差,所以數值工作仍然離不開實驗的驗證。     3 換熱器數值模擬    在1981年之前,CFD技術主要還是在學術范圍內研究,而真正在工程實際中應用并不多。自從1981年英國CHAM公司推出求解流動與傳熱的商業軟件PHOENICS來,全世界范圍內已至少出現Tso多種這樣的求解工程流動與傳熱的商業軟件卜。     這些軟件推進了CFD技術更好地服務于工業實際。隨著CFD的逐步完善,國內外學者對換熱器內流體流動的數值模擬進行了一些研究。模擬主要有兩種類別,直接數值模擬和多孔介質模型。人們在對換熱器的局部特征和小型的換熱器進行研究時 ][ ,可用直接數值模擬,而大型換熱器,只能用多孔介質模型進行模擬[g叫引。兩種方法的區別是:直接數值模擬是將流體、固體分別劃人不同的控制體,定義不同的物性來表示。它的控制方程為:             這種方法適用于固體構件較簡單的問題。實際換熱器內的傳熱管可達數百根甚至上千根之多,采用以上方法控制體的數目會十分巨大?,F有的計算機只能對一些小型的換熱器進行直接模擬,根本無法對大型換熱器進行直接模擬。而且即使用幾十臺計算機并行運算,由于在換熱器內存在冷熱兩種流體,且在折流板附近,流速、壓力變化劇烈,存在強烈的漩渦,計算收斂也非常困難。     多孔介質模型是將流體、固體劃人同一個控制體,通過對守恒方程的修改來表現固體的影響。它用表面穿透率即流體表面與控制體表面的比值表示固體構件對控制體表面作用力的影響。而固體構件帶來的動量及能量交換的影響在方程中引人分布阻力和分布熱源表示。它的控制方程為:             這種方法目前得到廣泛使用。這種方法的主要缺點是分布阻力和分布熱源的模型和系數要依靠經驗來確定,其精度難以保證。另外無法準確描述管的形狀、分布對殼程流場的具體影響,很多問題就無法使用這種方法得出滿意的結果。圖1和圖2為筆者對一有著1O塊折流板,21根管的管殼式換熱器分別利用直接模擬和多孑L介質模型計算得出的橫截面速度分布云圖。                   對比兩圖可以知道,多孔介質模型無法體現管子分布對流速的影響。且這種方法在軟件里不能直接完成,需要編程修改軟件里的模型來實現。另外,在一臺CPU為雙核3.0GHz、2G內存的計算機上直接模擬這個管殼式換熱器,計算時間需lOO多小時;而多孔介質模型只需3O分鐘左右。     4 結 語     相對目前較為成熟的固體力學分析軟件,CFD軟件目前還有很多問題,應用沒那么廣泛。在模擬換熱器時,有兩種方法可供選擇。直接模擬更準確,提供的信息更為詳細。但對大型的換熱器,難以直接數值模擬,目前主要使用多孔介質模型。
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