劉營營，仲梁維，孫 炎

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

基于Fluent流場分析在換熱器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉營營，仲梁維，孫 炎

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

分析了工業(yè)換熱器流場內(nèi)部結(jié)，為換熱器設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。利用Solidworks建立管殼式換熱器三維模型，Workbench軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent軟件進(jìn)行有限元計(jì)算。通過設(shè)定求解器類型、具體邊界條件值以及松弛因子，對模型進(jìn)行迭代計(jì)算。得到殼程流體的壓力場、溫度場和速度場特點(diǎn)的具體分析結(jié)果，證明了計(jì)算模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果與工業(yè)實(shí)體流體研究結(jié)果相吻合，為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

工業(yè)換熱器；Fluent；流場分析；數(shù)值模擬

換熱器是能源、動(dòng)力、冶金等工業(yè)中的通用設(shè)備，工業(yè)換熱器的性能直接影響能量的轉(zhuǎn)換過程，其中管殼式換熱器是目前應(yīng)用廣泛的一種換熱器，其結(jié)構(gòu)可靠，可承受高溫高壓。因此研究換熱器內(nèi)溫度如何分布，流體溫度對換熱器溫度交換造成的影響，提升換熱器的效率和資源利用回收率，對能源的節(jié)約具有重要的意義。

換熱器幾何結(jié)構(gòu)、液體流動(dòng)[1]與溫度分布比較復(fù)雜，很多學(xué)者不斷嘗試更為先進(jìn)有效的方式。利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)[2]進(jìn)行瞬態(tài)模擬復(fù)雜和理想工況下的流體流動(dòng)狀態(tài)、溫度場、壓力場等。采用Workbench網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent軟件流體分析[3]與換熱器相結(jié)合，利用Fluent[4]的后處理功能對其進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并測出換熱器內(nèi)部能量分布規(guī)律和出口溫度變化。

1 換熱器結(jié)構(gòu)模型

1.1 換熱器的結(jié)構(gòu)

常用工業(yè)流體[5]換熱器設(shè)計(jì)要求如下：Solidworks軟件建立三維模型，幾何模型采用普通管殼式換熱器，單管程、單殼程和弓形圓缺折流板，由于換熱器為對稱結(jié)構(gòu)，所以采用半結(jié)構(gòu)模型。

圖1 管殼式換熱器結(jié)構(gòu)

表1 換熱器的幾何參數(shù)

殼體長度/mm殼體直徑/mm殼程直徑/mm殼程流體殼程入口溫度/℃殼體入口溫度/℃1400340240甲烷-3050

1.2 換熱器流程設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，通常需要制造出換熱器的三維模型，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，分析換熱器[8]內(nèi)部溫度的變化規(guī)律。如果不符合要求，不僅需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，還需要對模型進(jìn)行修改，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

本文利用Fluent的物理模型、數(shù)值方法和前后處理功能，通過非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬。一股溫度較低的流體進(jìn)入殼程，另一股溫度較高的流體進(jìn)入殼體，兩股流體在殼體進(jìn)行溫度交換[9]，分析溫度場的分布對整個(gè)換熱器的產(chǎn)熱效果產(chǎn)生影響，得到流場分析在換熱器中的具體應(yīng)用。利用Solidworks進(jìn)行模型修改，從而使換熱器的換熱效果達(dá)到最佳。

2 Fluent流場分析

2.1 基本方程

能量守恒的本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律，在工程熱力學(xué)研究范圍內(nèi)，能量守恒定律可表示為：

對任意選擇的控件來說，單位時(shí)間內(nèi)外界給于控件的熱量與體積力、表面力做的功之和等于同時(shí)間內(nèi)控制體內(nèi)熱力學(xué)[10]的增加率。在直角坐標(biāo)系中，根據(jù)能量守恒定律的描述，可導(dǎo)出能量守恒定律的微分形式

(1)

式中，Cp為比熱容；T為溫度;λ為流體的導(dǎo)熱系統(tǒng);Sr為粘性耗散項(xiàng)，即流體的內(nèi)熱源以及由于粘性的作用使流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體熱能的部分能量。式(1)也可以寫成矢量形式

(2)

實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是湍流模式理論，因此本文選擇湍流模型。在工程中常用的湍流模型是k-ω雙方程模型，標(biāo)準(zhǔn)模型只適用于完全湍流狀態(tài)的流體流動(dòng)，RNG模型即重組化群模型，該模型是在瞬時(shí)N-S方程的基礎(chǔ)上通過重組化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)得來的。所以選擇RNGk-ω作為流體仿真的湍流模型。

2.2 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格比較耗時(shí)且容易出錯(cuò)，特別是復(fù)雜的模型，需要謹(jǐn)慎選擇網(wǎng)格的類型和網(wǎng)格劃分的方法，并對劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。在網(wǎng)格劃分時(shí)需要根據(jù)換熱器的結(jié)構(gòu)特征選擇合適的網(wǎng)格劃分類型和劃分方法，本文換熱器[11]采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格或混合網(wǎng)格。對于接管部分采用Tet/Hybrid 劃分類型和 Tgrid 劃分方式劃分成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖2 管殼式換熱器網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件

換熱器采用逆流的傳熱[12]方式，管程和殼程的進(jìn)口界面設(shè)置為速度入口邊界(Velocity_Inlet)，出口界面設(shè)置為壓力出口邊界(Pressure_Outlet)，其他界面默認(rèn)設(shè)置為壁面界面(Wall)；管程和殼程流體區(qū)域則設(shè)置為流體(Fluid)，換熱管壁面設(shè)置為金屬。在管程邊界條件設(shè)置時(shí)，分別單獨(dú)對甲烷和制冷劑進(jìn)出口進(jìn)行設(shè)置，以便于后期入口邊界條件參數(shù)和流體類型的設(shè)置。

對于速度入口邊界條件，在湍流計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行速度分量、溫度、湍流強(qiáng)度和水力直徑4個(gè)參數(shù)的設(shè)置。速度分量為各股流體的入口速度，水力直徑為各個(gè)流道的內(nèi)徑，湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑為4 mm，熱甲烷入口溫度為50 ℃，回流湍流強(qiáng)度為5%，回流水力直徑為4 mm，對于壓力出口邊界，不另外設(shè)置出口壓力，出口靜壓為零。

2.4 設(shè)定條件并迭代計(jì)算

設(shè)定冷熱流體均為氣態(tài)甲烷，開始迭代，大約經(jīng)過1 200次迭代后，各項(xiàng)方程結(jié)果，殘差均以滿足要求，計(jì)算收斂。

圖3 殘差曲線圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

通過Fluent軟件分析有限元模型的壓力、速度和溫度值，并繪出相應(yīng)云圖。

圖4 速度矢量云圖

圖5 壓力云圖

由速度矢量分布與壓力云圖得知，距離入口的圓柱迎流區(qū)速度較高，隨著流體流動(dòng)速度逐漸減小，直至殼程內(nèi)部，速度達(dá)到最低。由于冷流體的粘性力在邊界層內(nèi)不能忽略，在粘滯力的作用下，邊界層內(nèi)流體會(huì)在圓柱面表面發(fā)生分離而形成渦流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的壓力是均勻的，而這一點(diǎn)在壓力的分布圖中得到了證實(shí)。

圖6 速度云圖

圖7 溫度云圖

由于管程一側(cè)是流入的冷流體，換熱器管程沿軸向的溫度梯度變化劇烈，另一側(cè)是熱流體的管殼；而在管板徑向的溫度分布規(guī)律為又上向下逐漸減小，冷流體橫行沖刷換熱管束后溫度有所提高，另外，冷流體在該管板下半部分的殼側(cè)速度相對較小，與管程接觸時(shí)間較長，流體溫度相對較高。

管板和殼體連接處的溫度梯度較大，在換熱管[13]和管板連接區(qū)域溫度變化明顯，從速度分布圖可以看到，該區(qū)域內(nèi)[14]流體速度較低，流體與柱面接觸時(shí)間相對較長，這也是該區(qū)域內(nèi)流體溫度相對較高的原因。由對流傳熱公式q=hΔt可知，該區(qū)域速度小、溫度差小，故換熱熱流密度較小。

圖8 殼體溫度分布云圖

從溫度分布圖8中可見，沿著管程[15]和圓周方向，溫度分布出現(xiàn)明顯的變化，通過入口段后的流體得到充分發(fā)展，流道形狀變化不大，流體分布的變化較小，因此管束在這些充分發(fā)展的流道內(nèi)，由面積平均得到的溫度變化[16]均勻而緩慢。冷熱流體進(jìn)口溫度達(dá)到最低與最高，且隨著流體的方向溫度逐漸降低，使管內(nèi)溫度接近中間值。流場的換熱狀況與其流動(dòng)狀況密切相關(guān)，溫度由換熱器進(jìn)口沿殼體長度方向呈遞減變化，當(dāng)冷流體流進(jìn)換熱器內(nèi)時(shí)，殼程主流區(qū)流動(dòng)面積增大、流速減小，殼程溫度場分布均勻性增強(qiáng)。

4 結(jié)束語

本文研究了換熱器內(nèi)部的流動(dòng)場和溫度分布規(guī)律，為管殼式換熱器設(shè)計(jì)提供參考。建立管殼式換熱器三維模型，運(yùn)用Fluent軟件進(jìn)行流體分析，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，使換熱效率達(dá)到最高。由此方法進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，節(jié)約了時(shí)間和成本，是一種行之有效的設(shè)計(jì)方法。

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[2] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004．

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[4] 于勇.Fluent入門與進(jìn)階教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

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Application of Fluent-based Flow Field Analysis in Heat Exchangers

LIU Yingying，ZHONG Liangwei，SUN Yan

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The internal structure of the flow field in the industrial heat exchanger is analyzed, which provides the theoretical basis for the design of the heat exchanger. The three-dimensional model of shell and tube heat exchanger is established by SolidWorks, with workbench software divided into grids and Fluent software used for finite element calculation. By setting the type of the solver, the specific boundary conditions and the relaxation factor, the model is calculated by iteration. Shell side fluid pressure field, temperature field and velocity field characteristics of the specific results of the analysis are obtained. The simulation results agree with the industrial data entity of fluid research results.

industrial heat exchangers; Fluent; flow field analysis; numerical simulation

2016- 06- 21

劉營營(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：二次開發(fā)等。仲梁維(1962-)，男，教授。研究方向：CAD /CAM/CAE 計(jì)算機(jī)輔助智能設(shè)計(jì)制造。孫炎(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：二次開發(fā)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.014

TQ051.5

A

1007-7820(2017)05-052-03