資源描述：
《管殼式換熱器分段模擬數(shù)值方法的適應(yīng)性研究.pdf》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、198化工機(jī)械2014年管殼式換熱器分段模擬數(shù)值方法的適應(yīng)性研究郭崇志4陳孝文(華南理工大學(xué))摘要利用分段模擬和整體模擬兩種方法對(duì)換熱器操作工況下的流動(dòng)與傳熱性能實(shí)施了數(shù)值計(jì)算，將CFD模擬溫度場(chǎng)插值映射到ANSYS模型中，得到結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力場(chǎng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在相同離散化精度下，對(duì)同尺寸不同段數(shù)模型模擬的研究表明，在分段模擬和整體模擬均可實(shí)施的情況下，兩種模擬結(jié)果一致并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符；但當(dāng)改變模型長(zhǎng)度和網(wǎng)格離散精度時(shí)，隨著模型尺度增大，整體模擬往往失效，甚至無法離散，然而分段模擬卻還能繼續(xù)實(shí)施并保持足夠精度。關(guān)鍵詞換熱器溫度場(chǎng)分段模擬整體模擬數(shù)值模擬中圖分類號(hào)XQ051
2、．5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0254_6094(2014)02_0198旬6研究固定管板換熱器的溫差應(yīng)力對(duì)提高設(shè)備可靠性、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命意義重大¨。1。但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)和流道的復(fù)雜性，要獲取具有足夠精度的數(shù)值分析結(jié)果，必須采用數(shù)值模擬方法Hjl。文獻(xiàn)[6，7]提出了分段模擬、整體綜合的核心思想和原理，并運(yùn)用此方法實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體換熱器模擬研究。文獻(xiàn)[8]用該方法研究了預(yù)應(yīng)力換熱器最佳預(yù)變形，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為探討傳統(tǒng)整體建模分析法與分段模擬法的適應(yīng)性，分別利用分段模擬和整體模擬技術(shù)進(jìn)行了相同流動(dòng)與傳熱條件的分析對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，分段模擬技術(shù)幾乎不受換熱器尺度及離散化精度的限制
3、，而整體模型往往有較大的限制，尺度稍有增大便會(huì)導(dǎo)致計(jì)算失效。由此證明分段模擬技術(shù)對(duì)于實(shí)際工程規(guī)模計(jì)算具有良好的適應(yīng)性。1計(jì)算模型所研究換熱器的主體結(jié)構(gòu)由彼此之間相互約束的元件構(gòu)成。為重點(diǎn)比較殼程流動(dòng)與傳熱，選擇簡(jiǎn)化管程流體行為，即假定管程為潛熱釋放過程。為提高計(jì)算精度，減少網(wǎng)格數(shù)量，適合整體建模和分段建模，采用整體模型分割離散實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格分塊。結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：管心距P．19mm管板厚度艿12mm導(dǎo)流筒外徑×厚度X長(zhǎng)度咖92mmX1mm×120ram折流柵尺寸咖100mm×5．5mm×6mm殼體4115ram×6．5ramX1476mm換熱管19．+12mm×3mm×1500m
4、m折流桿直徑D，3mm折流板間距B50mm物性參數(shù)如下：密度7840kg／m3熱膨脹系數(shù)11．6X10“1／K泊松比0．3導(dǎo)熱系數(shù)47．5W／(m·℃)彈性模量210GPa比熱502．48J／(kg·K)整體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2、3分別給出整體CFD模型和ANSYS模型，圖4、5給出了相應(yīng)的分段模型?！す缰?，男，1956年11月生，副教授。廣東省廣州市，510640。第41卷第2期化工機(jī)械199庀稚流體遜骱洋芻；
5、tI杪“L——一
6、
7、進(jìn)『f折流柵出I導(dǎo)流簡(jiǎn)投!流”柏鉗銜呼流筒段1段2段3段4段5段6段圖1換熱器整體模型示意圖圖2CFD整體實(shí)體模型圖3ANSYS整體
8、幾何模型圖4換熱器分段進(jìn)口模型圖5換熱器分段折流柵段模型2CFD模擬結(jié)果圖6給出了整體模型和相應(yīng)分段模型計(jì)算結(jié)果云圖對(duì)比，可以看出，相同工藝參數(shù)下，整體模型和分段模型換熱器的溫度分布幾乎看不出差異。筆者通過改變管程流體溫度來獲得不同的殼程流體出口溫度，從而考察管程工藝條件改變情況下，兩種模擬方法所產(chǎn)生的殼程出口溫度差異(表1)。從表1可以看出，出口溫度偏差最大僅為0．6555％。說明在相同工藝條件下，分段模型和整體模型計(jì)算精算沒有差別?；h氍濉發(fā)583K殼訊入【I速度0．3mlsot干111人II拈^度300Ka．整體模擬單位：K翼；霎鞋__It篙禚磊蒿b．分段模擬圖6兩
9、種模擬方法下的溫度分布云圖表1兩種模擬方法殼程出口溫度對(duì)比為了解分段數(shù)目對(duì)模擬結(jié)果的影響，將相同的換熱器分成不同段數(shù)，將不同管程溫度下的各分段結(jié)果與整體模擬結(jié)果對(duì)比，相對(duì)誤差見表2。_lf．一Ki：!蘭蘭111蘭，一_．要簍墓薹善；j啦羹鑫誓～化工機(jī)械2014年表2各管程溫度情況下分段與整體方法的相對(duì)誤差％由表2可見，隨分段數(shù)的增加，整體模擬與分段模擬相比較，殼程流體出口溫度的相對(duì)誤差趨于下降。最大偏差僅為0．6555％，這說明分段數(shù)目對(duì)兩種模擬方法獲得的模擬結(jié)果影響不大。3結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)利用面插值法將FLUENT溫度結(jié)果不失真映a．分段模擬射到ANSYS模型中，得到換熱器
10、溫度分布，如圖7所示，兩種模擬方式獲得的固體壁面溫度分布幾乎一致p．10】。為了定量比較這兩種方法，按圖8所示方式編號(hào)，并將沿管長(zhǎng)方向的溫度數(shù)據(jù)繪制成圖，發(fā)現(xiàn)兩種方法預(yù)期的結(jié)果偏差都處于合理區(qū)間。b．整體模擬圖7ANSYS中不同模擬方式下的溫度分布圖8編號(hào)方式4模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì)比根據(jù)文獻(xiàn)[8]的實(shí)驗(yàn)條件，將相同工藝條件下數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。管板汽側(cè)表面實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和路徑定義如圖9所示。模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖10所示。從圖10可以看出，分段模擬和整體模擬結(jié)果在路徑曲線上重4一，6一侮測(cè)。一蹙筘影’‘—／1一／y圖9管板測(cè)點(diǎn)和路徑
