折流杆换热器数性能的整体数值模拟新方法

摘要：为了实现对换热器性能的整体数值模拟，阐述了一种“分段模拟，整体综合”的管壳式换热器数值模拟新方法，其核心思想是在对换热器的几何结构及其流道的流体力学和传热特性进行定性分析和结构分类的基础上，对换热器内部流道分段，建立典型流道的完整实体三维模型和网格模型，并且建立分段模型之间的数据联系方案，最后将数值模拟得出的局部数据进行综合处理。

利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一【1】，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有很大的困难【2】。目前公开发表的论文对换热器性能的研究，大多利用局部模型进行，即所谓单元流道方法[3-5]或局部分析的方法。但是利用三维实体模型对换热器整体性能进行计算分析的很少见到，即使采用三维实体模型分析，大多数研究者仅限于研究小尺度的简化模型换热器的三维整体实体模型性能研究【6-8】。本文针对目前的现状以及为了实现大型管壳式换热器的整体性能的模拟计算，在对换热器结构及其流道性能进行评估的基础上，提出了分段建模、分段分网、分段模拟、最后综合的数值模拟研究思路【9】。为了验证这种计算方法的合理性，在对某作为计算对象的换热器的结构进行合理简化的基础上，分段建立了该换热器

壳程结构的三维实体几何模型和网格模型，利用计算流体力学软件Fluent，对所建分段模型定义分段之间的连接模式后，进行了换热器的分段模型数值模拟，得到了相关的局部参数分布，最后将局部参数的结果进行综合处理得到了整体换热器的主要性能参数表达式。

1.分段建模

对于管壳式换热器而言，壳程流体力学与传热性能的计算最为困难，也最为人们所关注。一般管壳式换热器的结构虽然复杂，但是从流体力学与传热的角度以及结构特点看，壳程结构主要可以分成进口段、出口段以及具有周期性重复结构的中间段 。图1给出了具有壳程端部导流结构的单程折流杆换热器。从图1中可见，如果假定进口段接管与出口段接管尺寸相同，端部结构相同，则进口段与出口段的模型可以视为相同，区别仅仅在于流体流动的方向以及各段的进口参数和出口参数不同。因此，从分段建模的角度看，对于这种换热器，只要改变进出口的流体热物理性能参数，即可利用相同几何模型进行计算。对于具有周期重复的结构，分段建模技术只需要从众多的重复结构中提取典型的一段。

从上述分析可见，对于图1所示折流杆换热器，采用分段模拟进行完整的流体力学和传热分析只需要建立进(出)口段和周期重复结构中的任意一段(包含4个折流圈)两个三维几何模型就足够了。这种管壳式换热器的分段建模过程，实际上利用了“流路分析”法[10-12]的概念来指导结构模型的划分。利用“分段模拟，整体综合”法除了通常的CFD计算之外，还需要考虑分段连接界面的连续性

问题。

分段建模和模拟技术可以看成是对影响换热器性能的流道几何进行有限度的离散化方法，离散的依据是流体力学和传热性能，是建立在对换热器几何结构、流体力学和传热性能充分了解基础之上的一种新的分析技术。

2 计算模型的简化

折流杆管壳式换热器的参数为：筒体尺寸Φ108mm×4mm×1500mm；换热管19×Φ12mm×3mm；导流筒Φ88mm×lmm×120mm；折流栅24×Φ96mm×Φ82mm；折流杆直径Φ3mm；管板厚度15mm。管程介质为饱和水蒸气，壳程介质为冷却水。管子的排列方式为正三角形。模拟计算时，对换热器壳程模型作了如下简化。

(1)简化管箱流道。单独建立管板实体模型，通过适当的边界条件代表管箱饱和水蒸气传热。

(2)忽略折流栅和壳体问的环隙。虽然真实设备中存在这样的环 隙泄漏，但由于折流圈的宽度很小，折流圈与壳壁之间环隙很小，且不在影响传热和流体流动的主体区，因此视为对流体主体区的流动和传热影响不大。

(3)壳程纵向实施分段建模。保留完整的横截面，考虑流体之间完整的横向影响。纵向上考虑流体从上游向下游依次递进，上游段出口作为下游段进口。当流体进入折流栅流道区域，流动和传热充分发展，流动和传热状态随着折流栅的布置而呈现规律的变化，从而可根据上游的计算结果迭代估计出口状态。这样不但得到微观的流场和温度场，而且还可以预测换热器的整体性能。

(4)根据换热器的安装和放置方式，运行中的换热器的结构关于垂直中心线对称，故建立对称模型。

所建立的导流筒流道和折流栅流道的几何模型如图2、图3所示。

3 数值模拟及结果

考虑到壳程流体一般呈湍流状态，模拟时需考虑建立合适的湍流模型，在此选择RNG k—s模型挖【12-13】。实施数值模拟时，沿着壳程流体的流道进展方向，续贯地分别利用图2、图3模型分段计算。分析过程中除了根据残差曲线来判断收敛外，还设置了出口截面的温度平均值作为监控目标，当监控曲线趋于直线时，可视为计算收敛。各个分段之间进行数据传递时，前段模型的出口输出数据作为后续段模型的入口输入数据。

为了观察局部参数的分布情况，取换热器入口流速为Vint=0．5 m／s的模拟结果，给出部分流道入口段管子局部参数分布，如图4、图5所示，可以见到，在换热器入口管束流道上，局部传热膜系数和管子表面摩擦系数的变化是非均匀分布且互有关联，即表面摩擦系数大的地方，局部传热膜系数也大。

采用Fluent软件内置的面积加权平均功能可以将局部数据与换热器的整体参数沟通、关联，得到局部数据和整体数据间的关系。图6、图7即为所得到的模拟结果及其拟合曲线。

从图6可见，导流筒流道和折流栅的传热性能不同，在低雷诺数下，折流栅流道的传热性能较导流筒段高；在高雷诺数下，导流筒段的传热性能比折流栅段高，上述现象说明了在低雷诺数下，导流筒段对折流杆换热器传热影响不大，而高雷诺数下，导流简段的传热对换热器传热性能影响变大，这也是折流杆换热器(通常使用在高雷诺数下)一般都要采用(内或外)导流筒的原因之一。此外，从整体性能与折流栅段相近可以得知，实际换热器中，传热的主体部分还是折流栅流道段。从图7可见，单个导流筒流道的压力降远高于单个折流栅的压力降，而整体压降由各分段模型的压降叠加而成。

通过整理分段模型数据，并考虑管壁温修正得到换热器整体性能关联式如下

上述两个准数关系式建立在计算机数值模拟基础上，表达了正三角形布管的折流杆换热器的传热和流体力学性能关系，对于进行这类换热器的设计和模型试验有很重要的作用。

4 结 论

& nbsp; 用CFD软件对折流杆换热器三维实体模型进行了仿真分析，提出了“分段模拟，整体综合”的换热器数值模拟研究新方法，对实际折流杆换热器进行了具体实施，通过保证分段模型的序贯性和连续性，实现了换热器局部数据的整体化关联，具体实施时，首先对换热器的流道进行分段建模，分段分网，然后沿着选定的流道方向进行分段模拟，上一段出口边界的场量(速度、压力、温度)作为下一段入口的边界条件，利用数据文件加载，分段模拟完成后，利用所保存的各个分段的数据进行整体性能叠加的综合计算，在综合之前，所有的局部数据都要利用Fluent软件内置的面积综合平均命令进行转换，最后得到整体综合数据。

上述分段模拟方法的实施为进一步的试验研究验证奠定了坚实的基础。

参考文献

【l】王福军．计算流体动力学分析：CFD软件应用及原NtM]．北京：清华大学出版社，2004．

【2】 吴金星，王定标，魏新利，等．管壳式换热器壳程流动和传热数值模拟研究进展【J]．流体机械，2005，30(5)：28—32．

【3】李静，刘敏珊，董其伍．纵流壳程换热器新型抗振折流元件的数值研究【J】．热能动力工程，2005，20(6)：579—583．

【4】董其伍，吴金星，刘敏珊，等．孑L板支撑换热器壳程流场的数值预测【J】．压力容器，2003，20 (8)：4—7．

【5】王定标，胡祥报，郭茶秀，等．大型纵流壳程换热器三维流动与传

热数值模拟【J】．郑州大学学报(工学)，2002，23(3)：13—18．

【6】严良文．壳程纵流换热器的强化传热研究【D】．上海：华东理工大学，2004．

【7】徐百平，王铭伟，江楠，等．螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟研究【J1．石油炼制与化工，2005，36(1O)：33—37．

【8】蒋建飞，黄树红，王坤，等．凝汽器水侧流动的三维数值模拟叨．

动力工程，2006，26(2)：249—252．

【9】陈文昕．折流杆换热器的数值模拟与实验研究【D】．广州：华南理工

大学，2006．

【10】钱颂文．换热器管束流体力学与传热【M】．北京：中国石化出版社，

2001．

【11】黄鸿鼎，冯亚云计算管壳式换热器壳程压降的流路分析法叨．化工

学报，1979(1)：91．

【12】M urthy J Y ， M athur S．Periodic flow and heat transfer us ingunstructured meshes[J]．InternationalJournalfo，NumericalMethods

Fluids， 1997， 25 ： 659—677．

【13】Hunent6．1 documentation限1．USA：Huent Inc．，2003．