黨明巖,方 毅

折流擋板對管殼式換熱器殼程流場影響的數(shù)值模擬

黨明巖,方 毅

(沈陽理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110159)

應(yīng)用ICEM和FLUENT軟件，對管殼式換熱器的殼程流場進行三維數(shù)值模擬，并研究折流擋板對其殼程流場的影響。結(jié)果表明:流體在換熱器殼程內(nèi)呈“Z”字形曲折流動；由于存在流動死區(qū),折流板的流體出口側(cè)會出現(xiàn)溫度比周圍溫度高的區(qū)域；折流板的數(shù)量增加，使流體的湍流程度增加,流體的出口溫度提高，換熱器的傳熱效率提高；流體流過折流板時產(chǎn)生較大的壓力降，且其流過折流板時所產(chǎn)生的壓降大于在相鄰兩塊折流板間流動所產(chǎn)生的壓力降；進出口間的總壓降隨折流板數(shù)的增加而增加。

管殼式換熱器；數(shù)值模擬；折流擋板；壓降

換熱器的作用是實現(xiàn)熱量的傳遞，在化工、石油、動力等多個工業(yè)領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用[1]。改善換熱器的結(jié)構(gòu)以促使提高其換熱性能，這對于節(jié)約能源、降低能耗、減少產(chǎn)品成本都有非常重要的現(xiàn)實意義。工業(yè)領(lǐng)域?qū)Q熱器不斷提出更多的要求，使得相關(guān)領(lǐng)域的研究人員對換熱器的性能改進的關(guān)注程度也日益增加。以往單一的通過實驗研究改進換熱器的方法已顯得效率低下，難以滿足工業(yè)迅速發(fā)展的需求[2]。而運用計算機、數(shù)學(xué)模型和計算流體力學(xué)原理知識來進行實用性更強、計算效果更加準確的換熱器殼程流場模擬已越來越得到認可和關(guān)注[3-5]。梅娜等人[6]用FLUENT軟件對螺旋折流片式換熱器的殼程進行了流場、溫度場的數(shù)值模擬，結(jié)果表明螺旋折流片促進了近壁區(qū)流體和主區(qū)流體的質(zhì)量傳遞和動量傳遞，較好地實現(xiàn)了強化傳熱的效果；劉敏珊等人[7]依據(jù)多孔介質(zhì)計算模型和運用阻力經(jīng)驗公式，用FLUENT軟件對單弓形折流板式換熱器進行了殼程流場的三維數(shù)值模擬，并針對換熱器存在的問題，提出了殼程流場的改進方案。

本文以單弓形折流板管殼式換熱器作為研究對象，采用ICEM軟件建立幾何模型，并用FLUENT軟件對其殼程流體的流動和傳熱進行三維數(shù)值模擬，通過改變折流擋板的數(shù)目和流體的進口速度，研究殼程流體的流動與傳熱特性，以期對管殼式換熱器的設(shè)計及優(yōu)化進行有益的探索。

1 模擬方案

對換熱器的數(shù)值模擬過程主要包括前處理、求解計算、后處理三個階段:前處理器ICEM主要是解決幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分，對于復(fù)雜的模型，可以進行合理的簡化，使其在正確反映物理問題的基礎(chǔ)上，能夠加快求解計算，并保證收斂的穩(wěn)定性和精度；求解計算階段要把前處理器輸出的.msh文件導(dǎo)入FLUENT里，并對模型進行網(wǎng)格檢查，直至劃分的網(wǎng)格適合計算求解，然后設(shè)置流體的物性參數(shù)，確定模型邊界條件，并設(shè)置模擬計算的控制數(shù)，對流場初始化，進行求解計算；在后處理階段，根據(jù)計算求解得出的結(jié)果以云圖、軌線等形式展現(xiàn)出來，通過觀察速度、溫度和壓力的云圖、矢量圖等，進行模擬結(jié)果分析。

2 物理模型

用ICEM軟件建立管殼式換熱器的幾何模型，換熱器的外觀如圖1所示，換熱器的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 管殼式換熱器幾何模型

表1 換熱器基本參數(shù) mm

3 數(shù)學(xué)模型

3.1 求解方法

本文采用壓力修正算法，即 SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)。SIMPLE 算法是解壓力耦合方程的一種半隱式流場計算方法，是目前工程上應(yīng)用較為廣泛的一種方法。該方法的求解思路如下:

首先，假定壓力場，并通過求解離散形式的動量方程而得出速度場。但由于是假定的壓力場，所得出的速度場通常不一定滿足連續(xù)性方程，所以應(yīng)該對假定的壓力場進行修正，以使修正后的壓力場所相對應(yīng)的速度場能滿足這一迭代層次上的連續(xù)方程。為此，將由動量方程的離散形式而得出的壓力與速度的關(guān)系式代入到連續(xù)方程的離散形式中，即得到壓力修正方程，進而再根據(jù)壓力修正方程得到壓力修正值等。根據(jù)修正后的壓力場，可計算得出新的速度場。若新的速度場不收斂，則反復(fù)計算，直至速度場收斂。

計算過程中采用的主要相關(guān)方程為[8]

連續(xù)性方程:

(1)

動量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

3.2 網(wǎng)格劃分

換熱器的整個區(qū)域的網(wǎng)格類型可劃分為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖2、圖3所示。網(wǎng)格總數(shù)為139萬，其中最小網(wǎng)格體積為6.27×10-10m3，最大網(wǎng)格體積為1.71×10-7m3，網(wǎng)格空間總體積為4.46×10-2m3。

圖2 網(wǎng)格劃分整體圖

3.3 邊界條件

(1)in(入口)條件設(shè)置:Momentum動量設(shè)置入口的進口速度為1m/s，Turbulence項的Specifi-cation Method中選擇Intensity And Hydraulic Diameter設(shè)置水力學(xué)直徑為接管內(nèi)徑0.05m， Thermal熱量設(shè)置流體進口溫度為290K。

(2)out(出口)條件設(shè)置: 在Outflow中確定流出物比重為1。

圖3 網(wǎng)格局部圖

(3)guanbi(換熱管壁面)條件設(shè)置:在Temperture中設(shè)置管壁溫度為320K，其他項均保持默認。

4 模擬結(jié)果與討論

4.1 溫度場

換熱器折流擋板數(shù)分別為4、6和8時，內(nèi)部流場整體溫度云圖如圖4所示。

圖4 換熱器內(nèi)部流場溫度云圖

從圖4中總體可以看出，換熱器殼體內(nèi)部流場整體溫度分布極其不均勻，溫度沿換熱器殼體內(nèi)部流體流動方向逐漸升高。從圖4中不同折流擋板數(shù)的溫度云圖的區(qū)別中還可以看出，隨著折流擋板數(shù)的增加，換熱器殼體內(nèi)部的升溫幅度逐漸增大，折流板越多，出口流體的溫度越高。另外，由三個內(nèi)部流場整體溫度云圖可以較明顯地觀察到，溫度并非沿著流體流動方向均勻升高，而是在折流板的流體出口側(cè)的較小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了溫度比周圍溫度高的現(xiàn)象，這可能是由于在該區(qū)域處由于存在流動死區(qū)而影響熱量傳遞。這一結(jié)果與相關(guān)傳熱學(xué)原理中所描述的現(xiàn)象也是相符的。

4.2 壓力場

換熱器折流擋板分別為4、6和8時，內(nèi)部流場整體壓力云圖如圖5所示。

圖5 換熱器內(nèi)部流場壓力云圖

從圖5中可見，在流體流過每一折流板時，會產(chǎn)生較為明顯的壓力降。流體流過折流板時所產(chǎn)生的壓降比流體在相鄰兩塊折流板間流動時所產(chǎn)生的壓力降更大。從不同折流板數(shù)的壓力云圖的對比可以看出，流體在換熱器進出口間的總壓降隨著折流板數(shù)的增加而增加，這與對折流板增加后壓降的變化預(yù)分析結(jié)果一致。

4.3 質(zhì)點軌線

折流擋板數(shù)分別為4、6和8時的質(zhì)點軌線如圖6所示。

圖6 內(nèi)部流場質(zhì)點軌線圖

從圖6中可以看出換熱器殼程流體的大致流動走向，在折流擋板的作用下，流體在換熱器殼程內(nèi)呈“Z”字形進行曲折流動，并且由圖6a、6b、6c可以明顯看出折流板的具體位置和數(shù)量。折流擋板數(shù)目越多，流體流動越曲折，可見折流擋板的安裝使冷熱流體有了更充分的接觸，實現(xiàn)了傳熱效率的提高。

5 結(jié)論

采用FLUENT軟件，運用標準的K-e湍流模型對管殼式換熱器的殼程流場進行了三維數(shù)值模擬得到了以下結(jié)論:

(1)在折流板的流體出口側(cè)會出現(xiàn)溫度比周圍溫度高的區(qū)域，說明存在流動死區(qū)。

(2)折流板越多，出口流體的溫度越高，換熱器的傳熱效率越高。

(3)流過折流板時所產(chǎn)生的壓降要比在相鄰兩塊折流板間流動所產(chǎn)生的壓降大；折流板越多，換熱器的壓降越大。

(4)根據(jù)流體質(zhì)點軌線圖可以清楚地看出流體的大致流動特征，并發(fā)現(xiàn)折流擋板使冷熱流體有更充分的熱接觸。

[1]董其伍,劉敏珊,蘇立建.管殼式換熱器研究進展[J].化工和設(shè)備與管道,2006,43(6):18-22.

[2]李進良,李承曦,胡仁喜.精通FLUENT6.3流場分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:1-10.

[3]謝洪虎,江楠.管殼式換熱器殼程流體流動與換熱的數(shù)值模擬[J].化學(xué)工程,2009,37(9):9-12.

[4]Anika Singh,Anubhav Pratap Singh,Hosahalli S Ramaswamy,et al.Computational techniques used in heat transfer studies on canned liquidparticulate mixtures[J].Food science and technology,2015,43(1):83-103.

[5]Ayoola T Brimmo,Mohamed I Hassan,Youssef Shatilla.Transient heat transfer computational model for the stopped aluminium reduction pot e Cooling techniques evaluation[J].Applied Thermal Engineering,2014,73(1):116-127.

[6]梅娜,陳亞平,施明恒.螺旋折流片換熱器殼側(cè)傳熱與流動的數(shù)值模擬[J].工程熱物理學(xué)報,2005,3,26(2):310-312.

[7]劉敏珊,劉乾,董其伍.折流板換熱器殼程流場數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].化工設(shè)備與管道,2006,43(2):24-27.

[8]張建文,楊振亞,張政.流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:化工工業(yè)出版社,2008:15-24

(責(zé)任編輯:馬金發(fā))

Flow Field Numerical Simulation of Effect of the Baffle on the Shell Side of Shell-and-tube Heat Exchanger

DANG Mingyan,FANG Yi

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Numerical simulation of the flow field in shell-and-tube heat exchanger shell was investigated using the commercial software ICEM and FLUENT by changing the number of baffles.Results indicate that fluid flows through“Z”path in the shell;the temperature of the area next to the baffle and close to the outlet appears higher than the other area,which is due to the existing of flow died district;the more baffles,the more intense the turbulence degree of export fluid is,the higher the temperature is,and the higher the heat transfer efficiency;fluid has larger pressure drop when flowing through the baffle,and the pressure drop of flowing through the baffle is higher than that of flowing between the two baffles;the total pressure drop between the inlet and outlet increases with the increasing of the number of the baffles.

shell-and-tube heat exchanger；numerical simulation；baffle plate；pressure drop

2015-12-10

黨明巖(1975—)，女，副教授，博士，研究方向:化工過程模擬。

1003-1251(2017)01-0017-04

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