郭崇志 陳孝文
(華南理工大學(xué))
研究固定管板換熱器的溫差應(yīng)力對(duì)提高設(shè)備可靠性、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命意義重大[1~3]。但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流道的復(fù)雜性,要獲取具有足夠精度的數(shù)值分析結(jié)果,必須采用數(shù)值模擬方法[4,5]。文獻(xiàn)[6,7]提出了分段模擬、整體綜合的核心思想和原理,并運(yùn)用此方法實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體換熱器模擬研究。文獻(xiàn)[8]用該方法研究了預(yù)應(yīng)力換熱器最佳預(yù)變形,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為探討傳統(tǒng)整體建模分析法與分段模擬法的適應(yīng)性,分別利用分段模擬和整體模擬技術(shù)進(jìn)行了相同流動(dòng)與傳熱條件的分析對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn),分段模擬技術(shù)幾乎不受換熱器尺度及離散化精度的限制,而整體模型往往有較大的限制,尺度稍有增大便會(huì)導(dǎo)致計(jì)算失效。由此證明分段模擬技術(shù)對(duì)于實(shí)際工程規(guī)模計(jì)算具有良好的適應(yīng)性。
所研究換熱器的主體結(jié)構(gòu)由彼此之間相互約束的元件構(gòu)成。為重點(diǎn)比較殼程流動(dòng)與傳熱,選擇簡(jiǎn)化管程流體行為,即假定管程為潛熱釋放過(guò)程。為提高計(jì)算精度,減少網(wǎng)格數(shù)量,適合整體建模和分段建模,采用整體模型分割離散實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格分塊。結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:
管心距Pt19mm
管板厚度δ12mm
導(dǎo)流筒外徑×厚度×長(zhǎng)度φ92mm×1mm×120mm
折流柵尺寸φ100mm×5.5mm×6mm
殼體φ115mm×6.5mm×1476mm
換熱管 19-φ12mm×3mm×1500mm
折流桿直徑Dr3mm
折流板間距B50mm
物性參數(shù)如下:
密度 7 840kg/m3
熱膨脹系數(shù) 11.6×10-61/K
泊松比 0.3
導(dǎo)熱系數(shù) 47.5W/(m·℃)
彈性模量 210GPa
比熱 502.48J /(kg·K)
整體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖2、3分別給出整體CFD模型和ANSYS模型,圖4、5給出了相應(yīng)的分段模型。
圖1 換熱器整體模型示意圖
圖2 CFD整體實(shí)體模型
圖3 ANSYS整體幾何模型
圖4 換熱器分段進(jìn)口模型
圖5 換熱器分段折流柵段模型
圖6給出了整體模型和相應(yīng)分段模型計(jì)算結(jié)果云圖對(duì)比,可以看出,相同工藝參數(shù)下,整體模型和分段模型換熱器的溫度分布幾乎看不出差異。筆者通過(guò)改變管程流體溫度來(lái)獲得不同的殼程流體出口溫度,從而考察管程工藝條件改變情況下,兩種模擬方法所產(chǎn)生的殼程出口溫度差異(表1)。從表1可以看出,出口溫度偏差最大僅為0.655 5%。說(shuō)明在相同工藝條件下,分段模型和整體模型計(jì)算精算沒(méi)有差別。
圖6 兩種模擬方法下的溫度分布云圖
表1 兩種模擬方法殼程出口溫度對(duì)比
為了解分段數(shù)目對(duì)模擬結(jié)果的影響,將相同的換熱器分成不同段數(shù),將不同管程溫度下的各分段結(jié)果與整體模擬結(jié)果對(duì)比,相對(duì)誤差見表2。
表2 各管程溫度情況下分段與整體方法的相對(duì)誤差 %
由表2可見,隨分段數(shù)的增加,整體模擬與分段模擬相比較,殼程流體出口溫度的相對(duì)誤差趨于下降。最大偏差僅為0.655 5%,這說(shuō)明分段數(shù)目對(duì)兩種模擬方法獲得的模擬結(jié)果影響不大。
利用面插值法將FLUENT溫度結(jié)果不失真映射到ANSYS模型中,得到換熱器溫度分布,如圖7所示,兩種模擬方式獲得的固體壁面溫度分布幾乎一致[9,10]。為了定量比較這兩種方法,按圖8所示方式編號(hào),并將沿管長(zhǎng)方向的溫度數(shù)據(jù)繪制成圖,發(fā)現(xiàn)兩種方法預(yù)期的結(jié)果偏差都處于合理區(qū)間。
圖7 ANSYS中不同模擬方式下的溫度分布
圖8 編號(hào)方式
根據(jù)文獻(xiàn)[8]的實(shí)驗(yàn)條件,將相同工藝條件下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。管板汽側(cè)表面實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和路徑定義如圖9所示。模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖10所示。從圖10可以看出,分段模擬和整體模擬結(jié)果在路徑曲線上重合精度很高,與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也比較吻合。
圖9 管板測(cè)點(diǎn)和路徑
圖10 路徑x、y數(shù)據(jù)比較
研究?jī)煞N模擬方法差異的主要目的是考察各自對(duì)于求解實(shí)際工程模型的適應(yīng)性。為便于說(shuō)明,現(xiàn)保持換熱器其他結(jié)構(gòu)形式和尺寸不變,改變換熱器長(zhǎng)度和折流圈數(shù)目,利用相同的網(wǎng)格精度離散,并實(shí)施不同模擬方法的計(jì)算。表3給出了網(wǎng)格尺寸及類型。離散化網(wǎng)格數(shù)和平均網(wǎng)格精度見表4、5。
表3 換熱器模型分塊網(wǎng)格尺寸及類型
表4 各尺寸模型的網(wǎng)格數(shù)
表5 各尺寸模型的平均網(wǎng)格精度
注:網(wǎng)格精度是網(wǎng)格扭曲率在0.6以下網(wǎng)格數(shù)占總網(wǎng)格數(shù)百分比。
由表4可以看出,分段數(shù)目隨殼程長(zhǎng)度的增加而增加,要達(dá)到與整體模型一致的計(jì)算效果,只需要?jiǎng)?chuàng)建單個(gè)段分網(wǎng)大致在24萬(wàn)~25萬(wàn)單元的模型就足夠了。但是如果要提高計(jì)算精度,則整體模型已經(jīng)達(dá)到極限,而分段模型的單個(gè)分段還可以繼續(xù)提高離散化單元數(shù)目直到313萬(wàn)單元甚至更高,此時(shí)相當(dāng)于把整體模型的幾何尺度增加了十多倍,或者是把確定尺度的換熱器計(jì)算精度提高十多倍。由此可見,如果只是保持原有的分網(wǎng)精度,分段技術(shù)可以處理更大的幾何模型;也可以在保持模型尺度不改變的條件下,將離散化精度提高十多倍。換言之,相同的精度要求下,整體模型的計(jì)算單元如果是100萬(wàn)總數(shù)目,則分段計(jì)算的換熱器單元總數(shù)可以達(dá)到整體模型的十多倍,網(wǎng)格精度大體一致。
表6的數(shù)據(jù)僅僅展示出離散化的情況,并不說(shuō)明模型是否可計(jì)算。一般而言,單元總數(shù)目增加,計(jì)算速度逐漸降低,當(dāng)模型尺度增加到一定程度(即網(wǎng)格增加到一定數(shù)量)時(shí),計(jì)算機(jī)顯示內(nèi)存不足,無(wú)法完成計(jì)算。根據(jù)筆者所用電腦的實(shí)際情況,當(dāng)分段的網(wǎng)格數(shù)目超過(guò)313萬(wàn)(即換熱器長(zhǎng)度為2 647mm)時(shí),整體建模方法可以完成離散化,但是模擬計(jì)算已無(wú)法實(shí)施。這樣看來(lái),如果不放棄整體建模方法來(lái)實(shí)施模擬技術(shù),則要完成大模型的模擬只能依靠提高電腦配置或者粗化網(wǎng)格(降低網(wǎng)格精度和計(jì)算成本)。但是通過(guò)改變模擬技術(shù),采用分段建模,分段劃網(wǎng),分段模擬,整體綜合的模擬方法,可以利用分塊模擬的邊界數(shù)據(jù)傳遞技術(shù),一直計(jì)算下去。表6給出了這兩種方法在實(shí)際模擬中的適應(yīng)性對(duì)比。
表6 各尺寸模型兩種模擬方法的殼程流體出口溫度對(duì)比
由表6可見,當(dāng)換熱器長(zhǎng)度小于2 647mm時(shí),整體建模跟分段建模方法結(jié)果一致,計(jì)算精度足夠。但值得注意的是,當(dāng)換熱器長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí),對(duì)于整體法,即使已離散的模型,也無(wú)法通過(guò)計(jì)算,而在這種情況下,分段技術(shù)卻可以繼續(xù)實(shí)施。從計(jì)算實(shí)踐看,分段模型可以繼續(xù)進(jìn)行,沒(méi)有太大限制。但是整體模型早已無(wú)法實(shí)施計(jì)算。上述情況說(shuō)明分段建模模擬技術(shù)無(wú)論是在計(jì)算規(guī)模還是計(jì)算精度方面都比傳統(tǒng)整體模擬法更加優(yōu)越。
如果在此基礎(chǔ)上運(yùn)用并行計(jì)算技術(shù),那么分段模擬技術(shù)將具有更大的適用范圍。隨著并行計(jì)算平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)數(shù)增加,將有更多計(jì)算資源加入計(jì)算,所需時(shí)間減少,計(jì)算能力增強(qiáng)[12]。采用二、三、四節(jié)點(diǎn)并行時(shí),完成相同計(jì)算任務(wù),分別只需要原計(jì)算時(shí)間的52.7%、37.9%、29.6%,所以并行計(jì)算節(jié)約的時(shí)間相當(dāng)可觀。同時(shí)隨著并行計(jì)算機(jī)器數(shù)量的增加,不僅計(jì)算效率提高,還擴(kuò)展了可計(jì)算模型尺度。比如利用三節(jié)點(diǎn)并行,可將網(wǎng)格處理能力提高50%以上,而并行效率并沒(méi)有大的下滑。利用文中配置進(jìn)行三節(jié)點(diǎn)并行,以13個(gè)分段的模型為例,分段模型的最大疊加網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到8 136萬(wàn),而對(duì)應(yīng)的整體模型網(wǎng)格總數(shù)只能達(dá)到616萬(wàn),分段模擬的總網(wǎng)格數(shù)遠(yuǎn)大于整體模型。因此,分段模擬為解決大模型的模擬計(jì)算提供了一種可行的技術(shù)基礎(chǔ)。
6.1在計(jì)算規(guī)模較小的情況下,分段模擬可以更快獲得具有足夠精度的計(jì)算結(jié)果,該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合,即此時(shí)分段模擬可以達(dá)到與整體模擬相同的計(jì)算要求。
6.2在計(jì)算規(guī)模比較大的情況下,分段模擬技術(shù)展示出很強(qiáng)的適應(yīng)性,計(jì)算規(guī)模只受限于模型分段的大小,整體上基本不受限制,而此時(shí)整體計(jì)算模擬技術(shù)即使可以離散,也難以通過(guò)計(jì)算。
6.3在給定的幾何尺度限制下,分段模擬技術(shù)可以將計(jì)算精度提高至少10倍;而在給定精度要求下,分段模擬的模型尺度可以擴(kuò)展到10倍以上。
6.4利用并行計(jì)算技術(shù),可以增強(qiáng)分段模擬技術(shù)的能力。
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