螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模拟

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1、第!"卷第!期南京工业大学学报0789!"*79!!##$年%月&’()*+,’-*+*&.*/(*.01)2.34’-3156*’,’/4:;<9!##$###############################################################螺旋折流板换热器壳程流体流动的数值模拟张少维，桑芝富（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京!=###>）摘要：在对螺旋折流板管壳式换热器结构和操作条件进行简化的基础上，采用计算流体动力学分析方法建立数学模型，并利用5-?分析软件-,(1*3模拟换热器壳程流

2、动特性，得到了换热器壳程流场分布的直观信息。对流体传热特性做了初步探讨，并比较了弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器的流动特性，为这种换热器结构的优化和产品的研究开发提供一定的依据。关键词：螺旋折流板；壳程流动；数值模拟；5-?分析!中图分类号：3@#A#B!文献标识码：+文章编号：="C=DC"$（%!##$）#!D##E=D#$由于管壳式换热器具有单位体积传热面积大、过程等优点；同时可以观察不同操作参数对求解问生产制造工艺简单、传热效果较好、适应性强等一系题的影响，获得所有相关变量的详细信息以及潜在列优点，因而成为目前化学工业生产中应

3、用最广泛的物理过程［%］。因此，利用模拟所得数据对实际设的一种换热设备。但这种换热器自身也存在着以下计方案进行评估、选择和优化，再通过有限的试验对两个主要缺点［=］：（=）流动死区大，换热系数较小；分析结果进行检验，可以大幅度减少研究所需的工（!）由于折流板的阻挡而造成较大的沿程压降。因作量和经费。此，对传统的管壳式换热器进行结构优化设计，提高换热器工作效率，具有十分重要的实际意义。=换热器的数学模型及简化换热器的设计同时涉及到流体流场和温度场的分布问题。一方面，由于目前基础数学知识和理论=B=基本控制方程流体力学的发展水平，对于结构比

4、较复杂的换热设换热器管程和壳程流体的流动和热传递必须满备，不可能通过求解流体流动与传热控制微分方程足连续性方程、动量方程和能量方程，分别为［$］：的解析解来得到换热器内部特性。工程实际中，通连续性方程：常是利用相似理论原理，以简化换热器模型为基础，"（）SLJ（T）U&#（=）进行流体流动和传热的数据测量，再通过放大等数"!!"#!$"#S%据后处理方法得到与实际情况相接近的特性参数。动量方程：但是，由于换热器应用工况日益多样性以及其自身""’（!$）SLJ（T!$$）ULJ（T"V<;L$）DS)S*（!）结构不断复杂化，传统的实验手

5、段和理论方法已很"!"(难满足该领域研究和开发的需要［!］。另一方面，随能量方程：LJ（T!$+）ULJ（T,·V<;L-）S.+（%）着现代计算机技术的进步和先进数值算法的发展，式中："#为组分#的质量分量；%为扩散流量密度；计算流体动力学（57FGHI;IJ7K;8-8HJL?MK;FJNO，5-?）&#是单位容积化学组分#的生成率；"是流体粘度；和计算传热学（*HFP

6、单位容积发热率。本文模展，并被广泛应用于能源、动力、石油、化工等工业领拟是针对单组分（水）、无内热源和化学反应的稳态域。和试验研究相比，利用5-?R*63技术进行换热过程，所以式中"#U=，%、&#、.+以及参量对时间的器研究具有费用低、速度快、能模拟较复杂和较理想偏导数取零。!收稿日期：!##%D#AD!>万方数据作者简介：张少维（=>E#D），男，陕西杨凌人，硕士生，研究方向为过程装备的优化设计及5-?技术在过程装备中的应用。J#南京工业大学学报第#D卷!"#湍流模型三维流动模拟采用了四管简化计算模型）。图!为数值计算中，湍流模型的

7、选择需要综合考虑求螺旋折流板换热器的简化几何模型图（局部）。解区域的复杂程度、流动的主要特征以及计算资源等因素。目前常用的湍流模型主要是基于$%&’’()*+’,假设的零方程湍流模型、一方程模型、二方程模型及其修正模型，能较好地解决工程实际问题的研究；而雷诺应力模型（-+.*%/0’123+’’4+25%0，-14）摒图!螺旋折流板换热器的简化几何模型图弃了旋涡粘性假设，引入-+.*%/0’应力输运方程和（螺旋角"LMNO）耗散速率方程求解678(+3)12%9+’方程，具有较高的E(PQ!1(AC/(R(+0P+%A+23.A%0+/

8、R%35+/(S7/T7RR/+5+72+US57*P+3求解精度，但它同时增加了方程数量，使数值模拟需要消耗大量的内存和:;<时间。综合考虑数值精#"#模型建立及网格划分度和计算条件，本文采用!!"湍流模