套管换热器多场耦合动态响应数值模拟.pdf

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1、第41卷第1期化工机械95套管换热器多场耦合动态响应数值模拟。张强”1刘巨保1李刚2(1．东北石油大学；2．天津大港石化公司)摘要将管壳程流体与换热管相结合，阐述了套管换热器耦合界面物理量传递关系、多场耦合关键问题和计算流程，建立套管换热器多场耦合数值模型，该模型涉及多物理场计算、多界面耦合和多参数迭代收敛的数值模拟，同时研究了套管换热器多场耦合动态响应。数值模拟表明：界面载荷、位移、热量、温度、传热系数和湍流频率呈现周期性响应规律，界面流体载荷具有阻止换热管加速和减速运动的特征。关键词换热器细长管流固耦合分区耦合计算效率中图分类号TQ051

2、．5文献标识码A文章编号0254-6094(2014)0l-0095-04套管换热器是一种标准的逆流式换热器，它由两种不同直径的管子套在一起组成，具有结构紧凑、耐高压、传热强度大的特点，被广泛应用于石油化工、中低温对流型地热资源开发、太阳能热泵及空气源热泵等工业领域。由于试验研究需要耗费大量的时间和经费，计算机仿真数值模拟逐渐成为一种切实可行的研究手段。俞接成等模拟了光管和波纹管套管换热器在湍流情况下的换热性能¨。。张廷静和江楠对直针翅管和斜针翅管套管换热器的壳程传热与压降性能进行了实验研究与数值模拟卫j。廖百盛对逆流式套管换热器在内管同心和

3、偏心状态进行了数值模拟，得到了管内流体的速度与温度分布一o。张丽等为了合理强化内管外壁带螺旋翅片的套管换热器，对矩形截面螺旋通道内流体的流动特性进行了实验和数值研究H。。朱倩等对螺旋套管换热器传热特性进行了数值模拟”]。霍喜军等对套管换热器内管为光管、缩放管和波纹管的传热特性与流动规律进行了数值模拟∞]。在这些数值模拟研究中，主要考虑了套管换热器内部流场和温度场的计算，而对流场、温度场与位移场的相互影响研究甚少。在实际运行过程中，套管换热器所处状态不是一成不变的，而是时刻处于不稳定状态，这是一类流场、温度场与位移场相互影响的多物理场动态响应问

4、题。要控制换热器平稳运行，对套管换热器动态响应研究就变得尤为重要。笔者将管壳程流体与换热管相结合，对套管换热器的流场、温度场与位移场进行多场耦合动态响应数值模拟研究。1多场耦合模型1．1模型描述为了揭示换热管与流体介质之间的动力学行为，体现换热管变形和运动与流场、温度场之间的相互影响，使换热管流场、温度场与位移场的动态响应得以合理描述，需考虑多场耦合效应。为此，建立了如图1所示的套管换热器多场耦合模型。模型共分成4个域，即管程流体域、换热管结构域、壳程流体域和套管结构域，每个域为三维结构，且是时间的函数。一夕套管图1套管换热器多场耦合模型示意

5、图模型中共分3个耦合界面，包括管程流体域。国家自然科学基金资助项目(11272085)。一张强，男，1981年12月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。化工机械2014年与换热管结构域的耦合界面；换热管结构域与壳程流体域的耦合界面；壳程流体域与套管结构域的耦合界面。由于各个传递物理量是坐标的函数，且随着耦合界面运动，其空间位置也是时间的函数，使得多场耦合变得更为复杂。1．2耦合界面物理量传递关系描述图2给出了套管换热器多场耦合物理量传递关系，图中方框内部为一个物理场，例如换热管、套管结构位移场；圆括弧内为该物理场的基本场变量；方括号内为

6、耦合关系；箭头为物理场之间的耦合方向，箭头起点为源物理场，终点为目的物理场，例如从换热管结构温度场到换热管位移场的箭头表示温度场对位移场的耦合作用；箭头外侧的文字描述发生耦合作用的物理量，例如管程压力、剪力表明流场是通过压力、剪力对换热管结构位移场发生作用的。因此，套管换热器在耦合界面传递的物理量包括温度、热量、位移和载荷(压力、剪力)。f结构位移场位移流体流场1I(位移、应力)【界面耦合】(流速、压力l【LJ压力、剪力动。流域力域速耦温耦、△度粘△温旦度旦度结构温度场温度、热量流体温度场(温度)【界面耦合】图2套管换热器多场耦合物理量传递关

7、系1．3多场耦合关键问题套管换热器多场耦合分析涉及到4个关键问题：a．用拉格朗13法，描述换热管大变形；用欧拉法，描述管壳程流体域变化；用任意拉格朗日欧拉动网格法，描述换热管耦合界面的运动。b．在耦合迭代计算过程中，耦合界面多个物理量相互影响，为了使耦合界面多个物理量计算收敛，建立了耦合界面物理量归一化收敛判断准则。在任一时间步内，耦合界面收敛判断准则s；’(￡)=鼍黼≤。，其中s；为收敛容差，s={s。s，占，so}1。；t为当前时间；k为当前时间的耦合迭代步数；s：(t)是界面物理量归一化收敛值。C．为了实现界面位移协调、载荷平衡、温度连

8、续和热量守恒条件，建立了套管换热器多场耦合迭代格式，实现耦合界面载荷和位移、温度和热量的耦合迭代计算。d．用Newmark积分法，描述套管换热器结构域动态响应。为实