螺旋折流板換熱器殼程流體流動(dòng)的數(shù)值模擬

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1、第!"卷第!期南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)0789!"*79!!##$年%月&’()*+,’-*+*&.*/(*.01)2.34’-3156*’,’/4:;<9!##$###############################################################螺旋折流板換熱器殼程流體流動(dòng)的數(shù)值模擬張少維，桑芝富（南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京!=###>）摘要：在對(duì)螺旋折流板管殼式換熱器結(jié)構(gòu)和操作條件進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析方法建立數(shù)學(xué)模型，并利用5-?分析軟件-,(1*3模擬換熱器殼程流

2、動(dòng)特性，得到了換熱器殼程流場(chǎng)分布的直觀信息。對(duì)流體傳熱特性做了初步探討，并比較了弓形折流板換熱器和螺旋折流板換熱器的流動(dòng)特性，為這種換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)提供一定的依據(jù)。關(guān)鍵詞：螺旋折流板；殼程流動(dòng)；數(shù)值模擬；5-?分析!中圖分類(lèi)號(hào)：3@#A#B!文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：+文章編號(hào)：="C=DC"$（%!##$）#!D##E=D#$由于管殼式換熱器具有單位體積傳熱面積大、過(guò)程等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)可以觀察不同操作參數(shù)對(duì)求解問(wèn)生產(chǎn)制造工藝簡(jiǎn)單、傳熱效果較好、適應(yīng)性強(qiáng)等一系題的影響，獲得所有相關(guān)變量的詳細(xì)信息以及潛在列優(yōu)點(diǎn)，因而成為目前化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)

3、用最廣泛的物理過(guò)程［%］。因此，利用模擬所得數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)際設(shè)的一種換熱設(shè)備。但這種換熱器自身也存在著以下計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估、選擇和優(yōu)化，再通過(guò)有限的試驗(yàn)對(duì)兩個(gè)主要缺點(diǎn)［=］：（=）流動(dòng)死區(qū)大，換熱系數(shù)較??；分析結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，可以大幅度減少研究所需的工（!）由于折流板的阻擋而造成較大的沿程壓降。因作量和經(jīng)費(fèi)。此，對(duì)傳統(tǒng)的管殼式換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高換熱器工作效率，具有十分重要的實(shí)際意義。=換熱器的數(shù)學(xué)模型及簡(jiǎn)化換熱器的設(shè)計(jì)同時(shí)涉及到流體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布問(wèn)題。一方面，由于目前基礎(chǔ)數(shù)學(xué)知識(shí)和理論=B=基本控制方程流體力學(xué)的發(fā)展水平，對(duì)于結(jié)構(gòu)比

4、較復(fù)雜的換熱設(shè)換熱器管程和殼程流體的流動(dòng)和熱傳遞必須滿備，不可能通過(guò)求解流體流動(dòng)與傳熱控制微分方程足連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，分別為［$］：的解析解來(lái)得到換熱器內(nèi)部特性。工程實(shí)際中，通連續(xù)性方程：常是利用相似理論原理，以簡(jiǎn)化換熱器模型為基礎(chǔ)，"（）SLJ（T）U&#（=）進(jìn)行流體流動(dòng)和傳熱的數(shù)據(jù)測(cè)量，再通過(guò)放大等數(shù)"!!"#!$"#S%據(jù)后處理方法得到與實(shí)際情況相接近的特性參數(shù)。動(dòng)量方程：但是，由于換熱器應(yīng)用工況日益多樣性以及其自身""’（!$）SLJ（T!$$）ULJ（T"V<;L$）DS)S*（!）結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)手

5、段和理論方法已很"!"(難滿足該領(lǐng)域研究和開(kāi)發(fā)的需要［!］。另一方面，隨能量方程：LJ（T!$+）ULJ（T,·V<;L-）S.+（%）著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和先進(jìn)數(shù)值算法的發(fā)展，式中："#為組分#的質(zhì)量分量；%為擴(kuò)散流量密度；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（57FGHI;IJ7K;8-8HJL?MK;FJNO，5-?）&#是單位容積化學(xué)組分#的生成率；"是流體粘度；和計(jì)算傳熱學(xué)（*HFP

6、單位容積發(fā)熱率。本文模展，并被廣泛應(yīng)用于能源、動(dòng)力、石油、化工等工業(yè)領(lǐng)擬是針對(duì)單組分（水）、無(wú)內(nèi)熱源和化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)態(tài)域。和試驗(yàn)研究相比，利用5-?R*63技術(shù)進(jìn)行換熱過(guò)程，所以式中"#U=，%、&#、.+以及參量對(duì)時(shí)間的器研究具有費(fèi)用低、速度快、能模擬較復(fù)雜和較理想偏導(dǎo)數(shù)取零。!收稿日期：!##%D#AD!>萬(wàn)方數(shù)據(jù)作者簡(jiǎn)介：張少維（=>E#D），男，陜西楊凌人，碩士生，研究方向?yàn)檫^(guò)程裝備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及5-?技術(shù)在過(guò)程裝備中的應(yīng)用。J#南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第#D卷!"#湍流模型三維流動(dòng)模擬采用了四管簡(jiǎn)化計(jì)算模型）。圖!為數(shù)值計(jì)算中，湍流模型的

7、選擇需要綜合考慮求螺旋折流板換熱器的簡(jiǎn)化幾何模型圖（局部）。解區(qū)域的復(fù)雜程度、流動(dòng)的主要特征以及計(jì)算資源等因素。目前常用的湍流模型主要是基于$%&’’()*+’,假設(shè)的零方程湍流模型、一方程模型、二方程模型及其修正模型，能較好地解決工程實(shí)際問(wèn)題的研究；而雷諾應(yīng)力模型（-+.*%/0’123+’’4+25%0，-14）摒圖!螺旋折流板換熱器的簡(jiǎn)化幾何模型圖棄了旋渦粘性假設(shè)，引入-+.*%/0’應(yīng)力輸運(yùn)方程和（螺旋角"LMNO）耗散速率方程求解678(+3)12%9+’方程，具有較高的E(PQ!1(AC/(R(+0P+%A+23.A%0+/

8、R%35+/(S7/T7RR/+5+72+US57*P+3求解精度，但它同時(shí)增加了方程數(shù)量，使數(shù)值模擬需要消耗大量的內(nèi)存和:;<時(shí)間。綜合考慮數(shù)值精#"#模型建立及網(wǎng)格劃分度和計(jì)算條件，本文采用!!"湍流模