管壳式换热器分段模拟数值方法的适应性研究.pdf

《管壳式换热器分段模拟数值方法的适应性研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、198化工机械2014年管壳式换热器分段模拟数值方法的适应性研究郭崇志4陈孝文(华南理工大学)摘要利用分段模拟和整体模拟两种方法对换热器操作工况下的流动与传热性能实施了数值计算，将CFD模拟温度场插值映射到ANSYS模型中，得到结构温度和应力场并进行实验验证。在相同离散化精度下，对同尺寸不同段数模型模拟的研究表明，在分段模拟和整体模拟均可实施的情况下，两种模拟结果一致并与实验数据相符；但当改变模型长度和网格离散精度时，随着模型尺度增大，整体模拟往往失效，甚至无法离散，然而分段模拟却还能继续实施并保持足够精度。关键词换热器温度场分段模拟整体模拟数值模拟中图分类号XQ051

2、．5文献标识码A文章编号0254_6094(2014)02_0198旬6研究固定管板换热器的温差应力对提高设备可靠性、延长设备使用寿命意义重大¨。1。但由于设备结构和流道的复杂性，要获取具有足够精度的数值分析结果，必须采用数值模拟方法Hjl。文献[6，7]提出了分段模拟、整体综合的核心思想和原理，并运用此方法实现了三维实体换热器模拟研究。文献[8]用该方法研究了预应力换热器最佳预变形，并进行了实验验证。为探讨传统整体建模分析法与分段模拟法的适应性，分别利用分段模拟和整体模拟技术进行了相同流动与传热条件的分析对比。研究发现，分段模拟技术几乎不受换热器尺度及离散化精度的限制

3、，而整体模型往往有较大的限制，尺度稍有增大便会导致计算失效。由此证明分段模拟技术对于实际工程规模计算具有良好的适应性。1计算模型所研究换热器的主体结构由彼此之间相互约束的元件构成。为重点比较壳程流动与传热，选择简化管程流体行为，即假定管程为潜热释放过程。为提高计算精度，减少网格数量，适合整体建模和分段建模，采用整体模型分割离散实现网格分块。结构参数如下：管心距P．19mm管板厚度艿12mm导流筒外径×厚度X长度咖92mmX1mm×120ram折流栅尺寸咖100mm×5．5mm×6mm壳体4115ram×6．5ramX1476mm换热管19．+12mm×3mm×1500m

4、m折流杆直径D，3mm折流板间距B50mm物性参数如下：密度7840kg／m3热膨胀系数11．6X10“1／K泊松比0．3导热系数47．5W／(m·℃)弹性模量210GPa比热502．48J／(kg·K)整体模型结构如图1所示，图2、3分别给出整体CFD模型和ANSYS模型，图4、5给出了相应的分段模型。·郭崇志，男，1956年11月生，副教授。广东省广州市，510640。第41卷第2期化工机械199庀稚流体逊骱洋刍；

5、tI杪“L——一

6、

7、进『f折流栅出I导流简投!流”柏钳衔呼流筒段1段2段3段4段5段6段图1换热器整体模型示意图图2CFD整体实体模型图3ANSYS整体

8、几何模型图4换热器分段进口模型图5换热器分段折流栅段模型2CFD模拟结果图6给出了整体模型和相应分段模型计算结果云图对比，可以看出，相同工艺参数下，整体模型和分段模型换热器的温度分布几乎看不出差异。笔者通过改变管程流体温度来获得不同的壳程流体出口温度，从而考察管程工艺条件改变情况下，两种模拟方法所产生的壳程出口温度差异(表1)。从表1可以看出，出口温度偏差最大仅为0．6555％。说明在相同工艺条件下，分段模型和整体模型计算精算没有差别。篱氍濉发583K壳讯入【I速度0．3mlsot干111人II拈^度300Ka．整体模拟单位：K翼；霎鞋__It篙禚磊蒿b．分段模拟图6两

9、种模拟方法下的温度分布云图表1两种模拟方法壳程出口温度对比为了解分段数目对模拟结果的影响，将相同的换热器分成不同段数，将不同管程温度下的各分段结果与整体模拟结果对比，相对误差见表2。_lf．一Ki：!兰兰111兰，一_．要篓墓薹善；j啦羹鑫誓～化工机械2014年表2各管程温度情况下分段与整体方法的相对误差％由表2可见，随分段数的增加，整体模拟与分段模拟相比较，壳程流体出口温度的相对误差趋于下降。最大偏差仅为0．6555％，这说明分段数目对两种模拟方法获得的模拟结果影响不大。3结构温度场利用面插值法将FLUENT温度结果不失真映a．分段模拟射到ANSYS模型中，得到换热器

10、温度分布，如图7所示，两种模拟方式获得的固体壁面温度分布几乎一致p．10】。为了定量比较这两种方法，按图8所示方式编号，并将沿管长方向的温度数据绘制成图，发现两种方法预期的结果偏差都处于合理区间。b．整体模拟图7ANSYS中不同模拟方式下的温度分布图8编号方式4模拟与实验对比根据文献[8]的实验条件，将相同工艺条件下数值模拟结果与实验数据进行了对比分析。管板汽侧表面实验测点和路径定义如图9所示。模拟和实验数据的对比如图10所示。从图10可以看出，分段模拟和整体模拟结果在路径曲线上重4一，6一侮测。一蹙筘影’‘—／1一／y图9管板测点和路径