高温换热器多场耦合数值模拟研究.pdf

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1、188化工机械2013焦高温换热器多场耦合数值模拟研究+王尊策料何宝林韩建荒李森李君书(东北石油大学机械科学与工程学院)摘要建立了高温换热器流动和传熟的数值模型，对5种不同工况条件下的换热器进行了数值模拟，得到换热器的流动和传热特性；在ANSYS软件中建立换热器管束三维有限元模型，通过ANSYSCFX·POST准确的将前面FLUENT计算得到的温度场、压力场映射到ANSYS结构模型中。对换热器进行多场耦舍分析；通过热一结构应力分析，得到换热器管束的等效应力和位移分布状况，并确定了最大应力发生的位置和具体数值，对换热器进行强度评价。关键词换热器

2、传热数值模拟耦合分析中圈分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2013)02-0188-05换热器是化工厂中重要的化工设备之一，随着工艺装置的大型化和高效率化，对换热器的工作效率也提高了要求，除了成本适宜，还要求高精度的设计技术，因此对现有换热器的研究成为设计出高效率换热器的必要措施⋯。笔者以油田注汽锅炉过热段高温热管换热器研究为例，由于其工作环境温度较高，管线温度分布影响烟气的流动，分布不均性导致换热器管壁温度分布不均，这对设备的安全可靠运行提出了较高的要求。同时，由于测量技术很难测得管线各部分的温度分布情况，因此，笔

3、者通过数值模拟的方法对换热器进行研究。考虑到换热器工作时处于高温、高压状态下，换热器的结构力学行为是在温度场、速度场及压力场等综合作用下的结果，因此需要对换热器进行多物理场耦合分析。1换热器耦合分析换热器流体流动的变化导致结构上的温度分布的变化，该变化反过来会导致物性参数的变化，影响流体流动，因此流场和温度场之间存在强耦合作用，此问题在FLUENT软件中采用多场直接耦合的方法求解计算温度场和流场旧，。结构场对温度场和流场的影响很小，主要考虑温度场对结构场的影响，因此采用间接顺序耦合方法求解，将FLUENT软件计算得到温度和压力的分布数据映射到

4、CSD模型上进行应力场和位移场的数值模拟。具体结构框图如图1所示。换热器研究部I界面上的压力ll和温度IcFD分析HCSD分析l多场耦合分析I研究对象的流场、温度场、压力损失、位移及应力等图1耦合分析方法框图2过热器结构参数笔者研究的换热段换热器为典型的管壳式换热器，过热段是由104根单光管水平往复组成的矩形结构，过热管线尺寸为qbl02mm×14ram。位于辐射段出口处的高温烟气区域，其功能是将分离出的千饱和蒸汽继续加热升温，使汽水分离装置分离出来的干蒸汽达到过热，温度达到470℃左右进入喷水减温器，与分离出的饱和水再混合，混合后的温度降到

5、约370—3900C，最后将过热蒸汽注入井下。其中过热段换热器管内为高温蒸汽，管外为高温烟气横掠管束，其结构示意图如图女石油装备制造业创新技术服务平台建设(2012BAH28F03)和国家自然科学基金项目(11172061)。¨王尊策，男，1962年3月生，教授。黑龙江省大庆市，163318。第40卷第2期化工机械1892所示。前弯头箱过热段箱体后弯头箱!．LR．忖／匡旷l凶R。憔烈Ur掣圈早／密封石棉垫过热段管束图2换热器结构示意图3换热器内流场的数值模拟3．1几何模型根据换热器的图纸，建立与实际结构相同的三维几何模型，图3为换热器管束和弯

6、头的简化几何模型，单根光管长度3．8m，水平往复构成的矩形排布结构。对过热器整体进行拓扑分析，将其分割为若干可划分六面体网格单元的块。整体网格采用六面体单元进行划分(图4)，整体网格数量为454万，由于在烟气与过热器管束交汇处是处于换热的主要区域，因此需要对此处网格进行加密。图3换热器管束几何模型图4整体网格划分3．2数学模型对换热器中流体流动和换热采用稳态不可压缩牛顿流体的质量、动量和能量守恒方程，忽略重力、浮升力的影响。其计算模型的基本控制方程如下：a．连续性方程，÷(pui)=0；OX,‘b．动量方程，熹ox(∥。叶)=一塞+署ox；；

7、。。d菇；c．流体域的能量方程，÷[u。(pE+P)]=o互f熹(

8、

9、}硝蓑一弘”uj("l'ijk】+S。；d．固体域的能量方程，毒(uaoE)=毒卜警卜。其中P是静压，．r。是应力张量，E为内能，k。。为有效热导率，J，为组分扩散通量，S。为热源项。RNGk-8模型是应用重整化群理论发展出一种改进的k-s模型。其基本思想是把湍流视为受随机力驱动的输送过程，再通过频谱分析消去其中的小尺度涡，并将其影响归并到涡黏性中，以得到所需尺度上的输运方程，这使RNGk-e模型更适应于具有旋转和绕流流动的流场计算，提高了对曲线绕流的预报结果。因此，笔者选

10、用修正后的RNG矗．占模型，其湍动能和湍动能耗散率的运输方程分别为：DkP-flit=毒【(ad．t一差】+Gk+Gh—P占一yI(1)2瓦【∽e目’面J“-“h—