工业热交换水塔的数值模拟与分析-论文.pdf

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1、第24卷第2期洛阳理工学院学报(自然科学版)VOI．24No．22014年6月JournalofLuoyangInstituteofScienceandTechnologyaturalScienceEdition)Jun．2014工业热交换水塔的数值模拟与分析刘明亮，吴水珍，姚国兰，罗瑁(1．江西建设职业技术学院，江西南昌330200；2．江西中恒建设集团有限公司，江西南昌330200)摘要：介绍CFD~~特点和传热与流动数值模拟的理论基础，并以工业热交换水塔为例，讲述在建模过程中应该注意的问题

2、及参数设定的技巧。通过模拟分析，得出较好的结果，克服了试验测量和理论分析中的不足，也为工业热交换水塔的设计和生产工艺可靠性评估提供了技术支持。关键词：CFD；水塔；热交换；模拟与分析；边界处理DOh10．3969／i．issn．1674-5043．2014．02．020中图分类号：TK124文献标志码：A文章编号：1674-5043(2014)02．0089-04CFD(ComputationalFluidDynamics，即计算流体力学1是通过计算机进行数值模拟，分析流体流动和传热等物理现象的

3、技术，主要用于研究传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应等方面，是当前研究流体力学问题的3类方法之一【1。CFD克服了实验测量和理论分析的缺点，具有成本低、耗时短、获得流场中的数据比较容易等优点，能模拟较复杂或较理想的过程，能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态。1CFD数值模拟的理论基础1．1边界层处理边界层内流体的流动有层流和湍流两种，全部边界层层流的称为层流，仅在边界层部分为层流的称1，为混合边界，其判断的基本依据是雷诺数R=号。其中，为流体在边界层上的速度，为流体的运动黏度，为距物

4、体前缘点的距离。300

5、合于边界层内流动的微分方程收稿日期：2013-12-04作者简介：刘明亮(1972一)，男，江西南昌人，本科，讲师，主要从事给排水工程方面的研究．洛阳理工学院学报(自然科学版)第24卷其边界条件为：y=0处，O；在=处，=；对于边界层内的流动，由动量定理可以得到定常流动条件下的边界层动量积分关系如下：．昙,ou2dy-V昙pudy=一詈一z-o(2)由边界层的特征，在边界层内有=()，p∞，)。所以上式可以写成：dy—Vpudy=一罢一c3其中fo为壁面上的切向应力；在求解边界层问题时，常用到位

6、移厚度。和动量损失，其定义如下==c【c(1一-~)dy(4)=(1一)(5)边界层动量积分关系可以写成：+(2圳1dv=似V‘(6)pv1．3模拟雒数的选择从目前已开展的研究来看，尽管很多的研究都采用三维模拟方法，因为其自身有许多独特的优点，但是也有许多的缺点：例如模型在网格划分时需要较为密集，因而需要庞大的计算机存储能力；造成大量计算数据和求解非线性偏微分方程组需要高速的数值处理能力，费时费力。因此在精度能满足要求的前提下，尽量使用简单的分析模型。在一些文献中，许多学者根据研究问题的几何对称

7、，将三维模拟方程简化成二维方程并在普通微机上进行模拟，并取得了一定的研究成果，所以分析采用二维模型。2工业热交换水塔实例分析T=370K，V=20m／s在工业生产中，由于生产和工艺的需要，往往需要进行热水入口冷热水交换，交换的过程中一方面需要控制好进出水量，另一方面还需要控制好交换以后的温度，以及交换过程中温差应力对水塔壁产生的负面影响，从一个水塔实例为例，分析出水口流量、流速，分析内部水流的温度场，速度矢量水塔内等压线等。以下是一工业生产用的热交换水塔，具体设计：温度为370K的热水从上部进入

8、容器中，与自下部右侧的小管流入的温度320K的冷水在塔内进行热量和动量的交换以后在底部左侧小管流出，如图l所示。通过GAMBIT建模和FLUET进行计算分析，经过整理，得出一系列结果。塔内水流速度分布云图如图2所示。塔内水流温度分布云图如图3所示。塔内水流等压线图如图4所示。塔内水流速度矢量图如图5所示。出流口截面温度分布如图6所示。出流口截面上速度分布图如图7所示。从图3中可以看出：上部水流温度较高，在与下部冷水冷水入口T=32OK．V=20m／s交换过程中，塔右下部与上部水流交换较为充分，温