基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬

2013-07-23 by:廣州ANSYS Workbench軟件培訓(xùn)中心來源:仿真在線

摘要:為了研究縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體湍流流動與換熱的工作機理,文中利用FLUENT軟件,在殼程流體流速設(shè)定值不斷改變的情況下,對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與換熱進行了三維數(shù)值模擬。得到了多螺旋流管殼式換熱器在不同的殼程流體流速下的溫度場、速度場、質(zhì)點跡線圖、殼程傳熱膜系數(shù)分布圖等。根據(jù)模擬得到的結(jié)果,從多個方面對縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程湍流流動與強化傳熱進行了探討。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較,二者誤差約在±11%以內(nèi),吻合良好。

    關(guān)鍵詞:螺旋扭片;縱向多螺旋流管殼式換熱器;三維數(shù)值模擬

    中圖分類號:TK 124 文獻標識碼:A 文章編號:1005-9954(2009)09-0009-04

    應(yīng)用計算流體力學(xué)模擬管殼式換熱器無相變殼程流場,最早是在1974年提出,但由于當時受到計算機與計算流體力學(xué)條件的限制,研究進展緩慢[1]。20世紀80年代以來,換熱器數(shù)值模擬研究才有了較快的開展。對于國內(nèi)外換熱器數(shù)值模擬研究,采用二維研究的較多[2]。三維研究方面, 國內(nèi)外學(xué)者也做了很多工作,特別是對復(fù)雜結(jié)構(gòu) 的管殼式換熱器換熱性能數(shù)值模擬研究,國外較多學(xué)者采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)的換熱管或者管程內(nèi)插物來模擬研究其對流體流動與換熱的影響,例如:螺旋槽管、波紋管、內(nèi)插螺旋紐帶等。然而,國外和國內(nèi)的學(xué)者很少有人用數(shù)值模擬的方法去研究插入物插入管殼式換熱器殼程而不是管程時其對換熱器綜合換熱性能的影響。

    殼程換熱管之間插入螺旋扭片,螺旋扭片的插入可以有效地改變殼程流體的流動形式,使殼程流體產(chǎn)生多股自螺旋流的復(fù)雜流動形態(tài)[3],有效提高換熱管束壁面的流體速度,實現(xiàn)不同殼體半徑處流體的充分混合,從而達到強化傳熱的目的。本文利用FLUENT軟件對這種新型縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程湍流流動及換熱進行了三維數(shù)值模擬,根據(jù)模擬結(jié)果并對這種利用螺旋扭片強化換熱器殼程流體換熱的機理進行了有益的探討。

    1 模擬模型

    模擬采用的換熱器為單管程、單殼程和螺旋扭片結(jié)構(gòu)。換熱器以正方形布管,圖1為螺旋扭片的 proe三維立體示意圖。圖2為換熱管與螺旋扭片之間定位關(guān)系示意圖。

                     基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys培訓(xùn)的效果圖片1

    由于縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,采用四面體網(wǎng)格劃分,管程采用六面體網(wǎng)格劃分。此模型中邊界類型有4種:進口、出口、管壁和殼壁[4-5]。模擬模型的數(shù)學(xué)形式建立時,主要考慮設(shè)置管程、殼程內(nèi)流體滿足控制守恒的連續(xù)性方程、質(zhì)量方程、動量方程以及能量方程等。因殼程流體處于湍流狀態(tài),進一步設(shè)置湍流k-ε模型。相關(guān)設(shè) 置完成后,進行了迭代計算,每次迭代210次左右時,計算收斂,進行其殘差曲線的分析。

    2 數(shù)值模擬的結(jié)果分析及討論

    總共模擬了7組實驗數(shù)據(jù),模擬時殼程為熱流體,進口溫度為60℃,管程為冷流體,進口溫度為 20℃。管程流體流量恒定為8 m3/h,殼程的流體流量開始為5 m3/h,然后以1 m3/h為梯度進行增加, 直到11m3/h。以下是以殼程流體流量為9m3/h進行模擬時得到的模擬結(jié)果。

    2.1 溫度矢量場圖

    圖3為Z=600 mm處的徑向截面的溫度場局部分布圖(圖中縱坐標溫度變化范圍是290— 340 K)。由圖3可看出,從殼程到管程,其溫度是依次降低的,存在著溫度梯度。管程溫度變化規(guī)律是越靠近管壁溫度越高。仔細觀察圖3中的殼程流體可發(fā)現(xiàn),由于螺旋扭片的插入,在殼程流體內(nèi)部, 2 根平行插入的螺旋扭片之間也出現(xiàn)了溫度梯度,這個溫度梯度一直延續(xù)到與換熱管壁接觸處,其變化對換熱的影響可從圖中清晰地看到,這是普通光管管殼式換熱器換熱時所沒有的。

                  基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys結(jié)果圖圖片2

    2.2 軸線截面流場

    殼程流體速度矢量場圖4中的縱坐標表示殼程流體速度大小,其變化范圍是1.52E-02—5.4E+02m/s。由圖4可以看出,縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體由于受到螺旋扭片的擾流作用,摻混比較劇烈。并且出現(xiàn)了很劇烈的附加螺旋流動[6],使邊界層的分離作用增強,提高了殼程流體間的湍動程度,推動了管程和殼程之間的換熱。換熱效率有較大提高,模擬結(jié)果很好地驗證了實驗研究得到的結(jié)論。

                 基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys圖片圖片3

    2.3 軸線方向流體質(zhì)點跡線圖

    圖5為殼程流體沿軸線方向流動時流體質(zhì)點的跡線圖,圖中縱坐標表示殼程流體質(zhì)點速度變化范圍是0—1. 19 E+03m/s。由圖5可以看出,流體在進行軸向流動的同時,也進行附加螺旋流動。螺旋流動的形式和螺旋扭片的螺旋結(jié)構(gòu)很相似,這是由于螺旋扭片具有螺旋流導(dǎo)向作用,殼程流體沿著螺旋扭片的表面進行流動。進一步研究發(fā)現(xiàn),殼程流體并不是作為一個整體進行螺旋流動,而是分成不同的流束,分別沿著不同的螺旋扭片進行流動。

                         基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys結(jié)構(gòu)分析圖片4

    圖6左、中、右3圖分別為縱向多螺旋流管殼式換熱器軸線方向Z在100, 600, 1 100mm處徑向截面流體質(zhì)點跡線圖。由圖6可以看出,殼程流體總是在圍繞著12根換熱管并且在螺旋扭片的導(dǎo)流向作用下進行各自的縱向附加螺旋流動。進一步分析可以看出,沿著軸線方向,流體質(zhì)點的湍流程度是在不斷加劇的。

                     基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys仿真分析圖片5

    2.4 殼程流體沿軸線方向壓降分布圖

    圖7為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程流體沿軸線方向壓降分布圖。圖中縱坐標表示壓降, 其變化范圍是200—1 200 Pa,橫坐標表示換熱器軸線位置在0—1 200 mm處。由圖7可以看出,殼程流體沿軸線方向的壓降具有周期性,壓降趨勢線由12個小線段構(gòu)成。而螺旋扭片總長為1 200 mm,螺旋節(jié)距為100 mm,所以螺旋扭片的節(jié)距個數(shù)為12,二者吻合良好。殼程流體沿軸線方向上的壓降變化主要是由于扭片的螺旋性結(jié)構(gòu)引起流體的附加螺旋性流動所導(dǎo)致,附加螺旋流動使殼程流體沿螺旋扭片表面進行高速流動,流動方向不斷改變,湍流強度加劇,邊界層分離作用增強, 導(dǎo)致了軸線方向上的壓降。當以殼程流體流量為 9 m3/h進行模擬時,模擬得到的殼程流體的壓降約為750 Pa,實驗研究時得到的壓降為675 Pa,二者誤差約為11%。

                       基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys結(jié)果圖圖片6

    2.5 傳熱膜系數(shù)分布圖

    圖8為縱向多螺旋流管殼式換熱器殼程傳熱膜系數(shù)分布圖,縱坐標表示傳熱膜系數(shù),變化范圍是 0—1. 35E+04W /(m2·K)。由圖8可看出,殼程傳熱膜系數(shù)分布是不均勻的,其平均值約為5 500 W /(m2·K)。當殼程流體流量為9 m3/h時,實驗得到的殼程流體傳熱膜系數(shù)為6 000W /(m2·K), 模擬結(jié)果比實驗得到的結(jié)果約小9%。

                      基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys培訓(xùn)的效果圖片7

    3 實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的比較

    本文實驗研究所采用的換熱器與模擬研究所用的換熱器尺寸參數(shù)相同,都是換熱管長度為 1 200 mm,內(nèi)徑15 mm,殼體內(nèi)徑為109 mm的管殼式換熱器。實驗采集的數(shù)據(jù)包括殼程流體流量、進出口壓力、溫度、管程流體流量、進出口溫度等。所采用的儀器有精度等級為±0. 2%溫度傳感器 Pt100、壓力傳感器、流量傳感器等。

    圖9為本文數(shù)值模擬和實驗研究得到的殼程傳熱模系數(shù)h對比。由圖9可以看出,無論是實驗還是模擬,得到的h都隨著殼程雷諾數(shù)Re的增加而增加,且二者增加趨勢一致。并且,當Re相同時,實驗值總是比模擬值要大。殼程流體流量為11 m3/h,h差別最大,模擬得到的h要比實驗值約小11%。系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生主要是因為傳感器的安裝位置不當所引起。傳感器的探頭都是安裝在換熱器殼程軸線附近,這樣測得的數(shù)據(jù)具有片面性,比實際值偏大。

                   基于ANSYS的fluent管殼式換熱器殼程流體流動與換熱模擬ansys仿真分析圖片8

    4 結(jié)語

    通過對縱向多螺旋流管殼式換熱器的殼程流體湍流流動和換熱的三維數(shù)值模擬,得到了殼程流體的溫度矢量場、速度矢量場以及流體沿軸向流動的質(zhì)點跡線等。由模擬結(jié)果可以看出,由于螺旋扭片的插入,殼程流體流動的形式與螺旋扭片的螺旋結(jié) 構(gòu)很相似,是分成若干流束分別沿著各自螺旋扭片的導(dǎo)程進行螺旋流動。由于螺旋扭片結(jié)構(gòu)的周期性螺旋,靠近管壁面的流體產(chǎn)生了明顯的周期性螺旋流動,加強了管束近壁面處流體的擾動,增大了熱擴散率,推動了流體的混合。并且,周期性的螺旋流動可以有效地減薄邊界層,尤其是黏性底層的厚度,使傳熱增強,從而使殼程流體的傳熱膜系數(shù)有較大提高。模擬結(jié)果表明,這種結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便的新型縱向多螺旋流管殼式換熱器具有很多優(yōu)點,應(yīng)用前景廣闊。

    模擬結(jié)果與實驗數(shù)值進行比較,二者誤差在 ±11%以內(nèi),吻合較好,滿足工程要求。

參考文獻:

[1] PATANKAR S V, SPALDING D B. Heat exchanger design theory source

book[M]. New York: Mcgraw-hill Book Company, 1974.

[2] 黃興華.管殼式換熱器殼側(cè)單相和兩相流動的數(shù)值模擬和實驗研究[D].西安:西安交通大學(xué), 1998.

[3] 楊傳健.縱向多螺旋流管殼式換熱器的實驗研究[D]. 廣州:華南理工大學(xué), 2007.

[4] 劉利平,黃萬年.FLUENT軟件模擬管殼式換熱器殼程三維流場[J].化工裝備技術(shù), 2006, 27(3): 54-57.

[5] 韓占忠,王敬,蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2004.

[6] 崔海亭,彭培英.強化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.