FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场

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1、54FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场3刘利平黄万年(郑州大学化工学院)摘要基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-E模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。关键词管壳式换热器数值模拟FLUENT多孔介质分布阻力模型0前言1模拟模型数值模拟是换热器研究的一种重要手段。111计算模型应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳管壳式换热器

2、壳程流场数值计算,采用了程流场,由Patankar与Spalding在1974年最多孔介质与分布阻力模型。由于换热器壳程结[1]早提出。但由于受到当时计算机与计算流体构复杂以及流动形态多样化,使得影响流体流力学的条件限制,研究进展缓慢。20世纪80年动和传热的因素多,相对于管程而言,壳程流代,由于核电厂换热设备的大型化、高参数化体的数值模拟复杂,特别是具有复杂折流板结[2,3]发展,促进了换热器数值模拟研究的开展。构的情况,更为如此。对于普通折流板换热器,关于国内外的换热器数值模拟研究,采用二维壳程流体时而垂直于管束,时而平行于管束,还研究的较多,而在三维

3、研究方面,又通常采用有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄[4,5]自己编程的方法。利用FLUENT软件,模漏,同时管内流体与管外流体的热交换耦合在拟管壳式换热器壳程三维流场,本文进行了有一起,因此进行管壳式换热器壳程流场的数值益的探索。模拟,需要采用多孔介质与分布阻力模型来简FLUENT是世界领先、应用广泛的CFD化计算。分布阻力是考虑换热管固体表面对流软件,用于计算流体流动和传热问题。FLU2体流动所造成的动量损失。ENT软件是基于CFD软件群的思想,从用户根据多孔介质模型与分布阻力模型,可建需求的角度出发,针对各种复杂流动的物理现立三维圆柱坐标系中

4、流场与温度场的控制方[6]象,采用不同的离散格式和数值方法,使得特程。此外,还可建立控制方程组的边界条件:定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最(1)换热器入口流体的焓值(温度);(2)壳程佳组合,从而高效率地解决各个领域的复杂流流体进口截面的速度分布;(3)壳体的热边界动计算问题。条件(一般处理为绝热);(4)换热器出口,一3刘利平,女,1965年6月生,副教授。郑州市,450002。《化工装备技术》第27卷第3期2006年55般可取局部单向化条件。模型时,湍流粘性系数的取值,参考有关文献112几何模型选取。几何模型采用普通管壳式换热器,单管程、(3)

5、设置边界条件设置流体入口边界条单壳程和弓形折流板,其结构简图如图1所示,件、出口边界条件和壳体壁面的边界条件。换热器的几何参数列表1。(4)设置监视器及迭代计算取不同的初速,开始迭代计算,在迭代130～150次时,计算收敛,分析其残差曲线。2结果与讨论211模拟结果图1管壳式换热器的结构(1)压力场分别模拟了不同初速的壳程流体压力场,其中,初速为5mös的压力场分布表1换热器的几何参数如图2所示。参数取值参数取值壳体直径ömm800换热管长度ömm4000折流板块数ö块6壳程进出口接管直径ömm300换热管数量ö根25换热管直径ömm57113GAMBIT

6、网格模型(1)确定求解器选择用于进行CFD计算的求解器,为FluentöFluent5。(2)创建换热器模型及划分网格利用[7]GAMBIT创建管壳式换热器的网格模型,即图2压力分布图根据表1的几何参数绘制出换热器几何体,并在GAMBIT中创建三维物理模型,划分网格(2)速度矢量场分别模拟了不同初速的的间距为1mm。壳程流体速度矢量场,其中,初速为5mös的速(3)定义边界类型在此模型中的边界度矢量场如图3所示。类型有四种:进口(inlet)、出口(outlet)、管壁(gwall)以及壳壁(qwall)。(4)输出网格文件选择FileöExportöMe

7、sh,输入文件的路径和名称。(5)流体的物理参数壳程介质为水。常压;流体初速分别取0mös、3mös、5mös及10mös;流体进口温度360K,流体出口温度320K;管壁温度300K。114求解模型图3速度矢量场(1)建立求解模型利用Fluent软件进行数值模拟。求解的条件采用Segregated(非耦合(3)速度矢量场的温度分布分别模拟了求解法)、Implicit(隐式算法)、3D(三维空间)、不同初速下壳程流体速度矢量场的温度分布,Steady(定常流动)、Absolute(绝对速度)。其中,初速为5mös时速度矢量场的温度分布(2)设置标准k-E湍

8、流模型采用k-E如图4所示。56FLUENT软件模拟管壳式换热器壳