在数值模拟过程中国外已开发出PHOE NICS、FLOW3D、ANSYS、FLUENT等大型通用CFD软件,这些软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,能够很好解决一维、二维、三维及层流或湍流、单相或多相、稳态或瞬态的传热和流体流动问题,对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。目前,CFD已在换热器方面得到应用。

1　螺旋隔板光滑管单管换热器的实验工况

螺旋隔板光滑管单管换热器的一组实验工况为:管程进口温度为20.20℃(293.35K),出口的温度是25.36℃(298.51K),进口流量为350L h,通过计算,进口流速为0.73m s;壳程进口温度为56.40℃(329.55K),出口温度为50.50℃(323.65K),进口流量为310L h,通过计算,进口流速为0.23m s,流体进入螺旋流道后的流速为0.89m s。

2　螺旋隔板光滑管单管换热器的物理模型

解算器为“FLUENT5 6”。螺旋隔板光滑管单管换热器主要是单根光滑管外缠绕螺旋隔板(见图1)并将其套入内径为27mm的圆管壳体而成。

实物尺寸是:换热器外筒的内径为27mm,光滑管的内径为13mm,管壁厚为1.5mm,螺旋隔板的间距为18.8mm,螺旋隔板厚度为1.2mm,整体长度为580mm。

3　数值模拟

3.1　流体物性及边界条件

流体介质为水,热水走壳程,冷却水走管程,物性参数为等效温度下的常量;管程流体和壳程流体采用逆流形式换热;将管程和壳程流体的入口速度分别设为0.73m s、0.23m s,在设定的流速条件下流体均可以达到湍流;管程和壳程进口温度分别设为298.51K、329.55K;内外管壁采用耦合求解对流与热传导的热量交换;壳体壁面和隔板采用不可渗透、无滑移绝热边界。

3.2　数学模型及数值计算

3.2.1　数学模型螺旋隔板单管换热器管程和壳程流体的热传递和流动必须满足基本控制方程:能量方程、质量守恒方程、动量方程,同时,管程和壳程流体流动为湍流,所以还应加上湍流模型方程。

(1)基本控制方程

能量方程:

(2)湍流模型方程

数值计算中,湍流模型的选择需要综合考虑求解区域的复杂程度、流动的主要特征以及计算资源等因素。综合考虑数值精度和计算条件,本文采用标准k-ε模型,该模型适合完全湍流的流动过程模拟,它假设流动为完全湍流,分子粘性的影响可以忽略。该模型需要求解湍动能及其耗散率方程。

标准k-ε模型的湍动能k和耗散率ε方程为如下形式:

3.2.2　数值计算

在螺旋隔板单管换热器数值模拟过程中,用离散、迭代、收敛的方法对流体的基本控制方程和湍流模型方程进行独立求解,此外,还需要给定流动方程、湍流方程、能量方程离散因子的值。

4　模拟结果及其分析

4.1.1　温度场模拟结果及其分析

图2是螺旋隔板光滑管单管换热器蹬壳程流体进口温度迹线图。从图中可以看到流体温度大约为329K(实验值为329.55K),还能看到越靠近传热管壁的地方温度越低,存在主流体向管壁方向的温度梯度,原因是流体与管壁进行了热交换。

图3是螺旋隔板光滑管单管换热器的壳程流体出口的温度迹线图。从图上可以看到出口温度为322K左右,同实验测得的温度值323.65K非常接近。而且靠近传热管壁的地方温度较低,大概在315K左右,存在主流体向管壁方向的温度梯度。

图4是螺旋隔板光滑管单管换热器管程流体进口温度迹线图。从图中可以清楚看到越靠近传热壁的地方温度越高,大约在300K左右,管程的中心区域温度大约在293K(实验值为293.35K)。

图5是螺旋隔板光滑管单管换热器管程流体出口温度迹线图。从图上可以看到出口温度为297K左右,同实验测得的温度值298.51K非常接近。同时,还能看到出口温度呈明显的从管壁到中心的温度梯度分布。

图6是螺旋隔板光滑管单管换热器截面温度迹线图(X=0cm)。从图上可以看出在换热器的轴向上,壳程热流体从左向右流动时,流体的温度逐渐变低;管程的冷流体是从右向左流动时,温度逐渐升高。

图7是螺旋隔板光滑管单管换热器截面温度迹线图(Z=20cm)。从图中可以清楚看到壳程、传热管壁以及管程的温度分别情形,壳程的温度大体分布在322K～325K之间,传热管壁的温度在311K左右,管程流体的温度在293K～297K之间。

4.1.2　流场模拟结果及其分析

图8是螺旋隔板光滑管单管换热器整体流场矢量图。从图中可以看到由于折流板的螺旋布置,壳程流体整体呈螺旋状流动。壳程的流体没有进入螺旋流道前是低流速0.23m s。图中清楚地显示了流体进入螺旋流道时的流动状况,流速是瞬时增大,而且流速分布比较紊乱,原因是进入螺旋流道时,流通面积突然减小;随着流体螺旋运动的推进,流体的流速分布均匀,而且变化平缓。流体的平均流速在0.9m s左右,这同实验值0.89m s很吻合。

图9是螺旋隔板光滑管单管换热器截面流场矢量图(X=0cm),图10是螺旋隔板光滑管单管换热器截面局部流场矢量图(X=0cm),图4-11是弓形隔板换热器折流板附近流场分布图[3]。从图4-9和图10可以看出在换热器的轴向上,壳程流体的流速流动速度变化比较平缓,而且在任何地方都没有死区和返混区。从图11可以看出弓形隔板附近存在死区和回流区,这是由于弓形隔板与主流方向正交,其对流动的阻挡和削弱作用较大。

4.1.3　压力场模拟结果及其分析

图12是螺旋隔板光滑管单管换热器壳程进口压力图,图13是换热器壳程出口压力图。从图中可以看出进口压力约为72000Pa,出口压力约为64100Pa,压力差约为790Pa,与实验值831.5Pa很接近。

图14是螺旋隔板光滑管单管换热器截面压力图(X=0cm),图中显示压力为72000Pa,平滑下降到为64100Pa,压降非常小,这是因为壳程流体整体呈螺旋状流动,螺旋隔板附近不会出现流动死区,流动速度变化比较平缓,因此,不会造成很大的壳程压力损失。

螺旋隔板光滑管单管换热器的流场、温度场和压力场的数值模拟结果与实验测量或计算值比较非常吻合,证明了采用的模拟方法的正确性,同时直观显示了壳程的流场、温度场以及压力场的形成和变化规律。有助于进一步了解螺旋隔板换热器壳程的流动形态和传热特性。