管壳式换热器数值模拟的并行计算技术研究.pdf

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1、604化工机械2011年管壳式换热器数值模拟的并行计算技术研究郭崇志+肖乐(华南理工大学机械与汽车工程学院)摘要利用并行计算原理，在FLUENT软件中对GAMBIT建模的管壳式换热器进行了数值模拟。通过对3种组合计算平台所消耗的机时进行比较，得到并行加速比和并行效率的规律，为复杂的管壳式换热器壳程设计的工程仿真和优化提供了一种新的处理方法。关键词换热器数值模拟并行计算中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2011)05-0604-03由于换热器的结构多样和流道复杂，实验分析结果经常因与实际

2、存在一定偏差而难于在实际使用中得到应有的应用，得出的经验公式的使用范围大大受到限制，并且换热器内部的流动传热又难以得出准确的分析结果，因而现在对于这类工艺分析大多采用计算流体动力学CFD方式进行工艺分析⋯。CFD计算适用性强，不受实验模型的限制，效率较高，并能给出各种模型在各种工况下的完整资料，因此得到广泛的应用旧1。随着计算要求的提高，计算问题日趋复杂化，通常需要使用昂贵的大型计算机或高配置的服务器才能解决问题。随着计算机网络技术的发展，为利用基于网络的并行计算系统解决复杂计算问题开辟了途径。FLUENT并行计算

3、技术通过计算机网络将多台计算机连成一个逻辑上的虚拟并行计算机系统，由微机网络集群系统组合成的CFD计算平台使许多复杂的计算流体力学问题实现准确的模拟成为可能¨1。因此，研究基于网络并行计算的CFD技术有重要的实际意义。1换热器流体模型的建立笔者研究的对象为某实验用折流杆管壳式换热器，主要结构参数如下；筒体尺寸西l15mm×6．5mm×1476mm管板厚度12mm折流杆直径3．2mm换热管612ram×3mm(管心距19mm，采用正三角形布管)管程流体水蒸气壳程流体自来水(流速为0．5m／s)换热器在纵向上具有对称性

4、，故可建立换热器1／2模型，在对称面上BoundaryTypes定义为SYMMETRY，这样能将模型网格减半，节省了很大的计算资源。2并行计算平台的建立并行计算就是将网格划分成多个子域，将每个子域对应到不同的计算节点(处理器)上，再利用多个计算节点同时进行计算。本次并行计算采用节点并行来构建并行平台，在基于RSHD传输的网络连接所构建的WINDOWS工作平台上运行的。并行平台使用了4台普通的WINDOWS-32机，该机主要配置如下：处理器AMDAthlon(tm)64x2DualCoreprocessor5200+

5、2．70GH芯片组AdvancedMicroDevices(AMD)RS780内存2GB计算时采用FLUENT软件内部的自动分割网格技术，自动保证各节点负荷平衡。3壳程流动的数值模拟笔者利用分段模拟技术H】，先选取人口段进·郭崇志，男，1956年11月生，高级工程师，硕士生导师。广东省广州市，510640。第38卷第5期化工机械行数值模拟。在CFD软件FLUENT计算后可以得到换热器壳程整体的流动情况(图1、2)。曩垂_蓁q舅薹叠翼r—L竺!!趟I图1入口段外侧温度分布!：=!二!!竺!!堂i墨图2入口段内侧温度分

6、布从图1和图2可看出，换热器人口段存在较大的温差，将产生很大的温差应力，这与传统的实验及理论分析吻合”1。本数值模拟得出的详细结果能为换热器结构和尺寸的优化提供良好的方法。4并行计算的加速比和效率的研究各个并行计算平台经过相近的迭代步数，获得最后结果列于表1。从出口温度、传热膜系数和压降3个方面可以看出，采用并行计算并不会影响计算结果的准确性，所产生的误差可以视为是由FLUENT软件残差所引起的，这也是数值模拟迭代误差所允许的。表1并行计算平台的计算结果并行加速比Ⅳ用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果，加速比Ⅳ

7、定义为相同任务量的情况下(通常采用运行同一个任务来实现相同的任务量)，并行处理器系统中求解消耗的时间L(rL为并行机子数目)和单机运行所需的机时t之比，并行效率E定义为加速比Ⅳ与并行系统中机子数目n之比，它用来衡量并行计算平台的计算能力发挥的程度，而并行计算所节省的时间t，可以衡量出并行计算所实现的最终效果，具体表达式为：川{在理想并行系统下，加速比能达到N=n，并行效率E=1，但实际运用中，受到主节点与支节点间通信能力，还有主节点只分配一定的计算能力来处理节点问数据的交换所限制，理想并行系统是实现不了的。而节点数

8、增加的时候，每节点所承担的计算量将出现一定的下降，并行效率随之下降。本换热器算例在各个并行计算平台所消耗的时间、相应的加速比和并行效率见表2。表2各个并行计算平台并行效果由表2可知，采用两节点、三节点并行计算时分别只需原来的52．730％、37，878％的时间就可以完成相同的计算任务，因此采用并行计算所节约的时间是相当可观的。通过并行加速比和效率可知，随着计