矩形孔板支撐換熱器殼程流體單元流道的數(shù)值分析.pdf

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1、民營(yíng)科技2014年第1期科技論壇矩形孔板支撐換熱器殼程流體單元流道的數(shù)值分析隋勇’戴玉龍(1．沈陽(yáng)市招標(biāo)中心，遼寧沈陽(yáng)110002；2．遼寧軌道交通職業(yè)學(xué)校，遼寧沈陽(yáng)110001)摘要：現(xiàn)提出了矩形孔板支撐換熱器殼程的單元流道簡(jiǎn)化模型，應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，得到了矩形孔板換熱器殼程單元流道流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布細(xì)觀信息，并分析改變換熱器的兩個(gè)參數(shù)對(duì)換熱和流體流動(dòng)。的影響，擬合出相應(yīng)Nu—R。關(guān)系式，為矩形孔板支撐換熱器的結(jié)構(gòu)完善和研究強(qiáng)化傳熱機(jī)理奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：矩形孔板；換熱器；單元流道；數(shù)值分析1單元流道簡(jiǎn)化模型色變化不明顯，故傳熱效果較管壁

2、處差。從幾何上來(lái)看，矩形孔板支撐換熱器除了管壁附近區(qū)域以外，管3改變折流板跨距對(duì)換熱器傳熱及殼程流體阻力的黝向子在殼程中呈對(duì)稱分布，呈正三角排列，如取四根管子所包圍的流體為了分析折流板跨距變化對(duì)換熱器傳熱及流體阻力的影響，作流動(dòng)空間為—個(gè)單元流道，則矩形孔板支撐換熱器殼程可看作是由多者在其它參數(shù)相同的情況下，折流板跨距分別為l~=-50mm、100mm、個(gè)均勻分布的平行縱向流道組成的，殼程流體的主流是沿各個(gè)“單元150mm進(jìn)行數(shù)值模擬，分別得到了三種情況下的速度、溫度、壓力云流道”的軸向流動(dòng)。不規(guī)則性的單元流道我們用當(dāng)量直徑的當(dāng)量流圖。在折流板間距相同的固定模型下，設(shè)定

3、進(jìn)口溫度相同，進(jìn)口流速不廳一同的5種情況進(jìn)行了模擬，得到殼程流體的出口溫度、殼程流體進(jìn)出道代替，則de=4(—1。一—doZ)／,trd。(1)二葉口壓力差等參數(shù)，即可求出Nu、Re的值，具體求解過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)。式中：】——為相鄰兩管的中心距，d【廣一為換熱管外徑。利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理軟件(Excel、origin等)，繪制出圖3所示的Nu—設(shè)換黼韌動(dòng)達(dá)到周斯充分發(fā)居，即流c4漸-動(dòng)和Re關(guān)系曲線及圖4所示的△P—Re關(guān)系曲線，根據(jù)圖3擬合出Nu和換熱特陛隨著幾何結(jié)構(gòu)的周期性變化而呈周期性變化，則可取代表眭Re的準(zhǔn)數(shù)關(guān)系式(Nu=aRe)為：“單元流道”的一個(gè)幾阿周期長(zhǎng)度

4、L作為研究對(duì)象。在—個(gè)幾何周期的Lr=lO0mm：Nu=0．11018Re~誤差：a為0．01333；b為0．01727單元流道內(nèi)設(shè)置兩塊折流板，則矩形孔板支撐換熱器殼程單元流道的Lr=150mm：Nu=0．06333Re~69誤差：a為0．00862；b為0．01928簡(jiǎn)化模型如圖1所示。圖中L為流道『1何周期長(zhǎng)度，Lr為折流板跨距。圖1矩形孔板支撐換熱器殼程單元流道的簡(jiǎn)化模型2單元流道的數(shù)值模擬及分析2．1分析對(duì)象數(shù)據(jù)的給定。設(shè)換熱管為25×2．5mm，管心距為l=32mm，殼程流體介質(zhì)為水，初始溫度Tin=300K，進(jìn)口流速為●∞t∞●的伯∞’2坤'埔a'e蚺伯撕

5、tlin=1m／s，換熱管內(nèi)通入550K的飽和水蒸氣，即換熱管管壁溫度取為R●恒值，即Tw=500K，L=100mm，取L=0．2m進(jìn)行數(shù)值分析。圖3折流板跨距對(duì)Nu數(shù)的影響為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)單元流道內(nèi)流體的性質(zhì)和流動(dòng)狀況做以下假設(shè)：1)各流道之間流體互不影響；2)忽略殼程進(jìn)、出口的影響；即流體沿軸向達(dá)到周期性充分發(fā)展。3)流道的壁面和支撐結(jié)構(gòu)的表面采用無(wú)滑移的邊界條件；4)流體為不可壓縮，且流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)。2．2數(shù)值模擬。本文采用Gambit軟f寸單元流道的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、定義其邊界條件，將其結(jié)果導(dǎo)入CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件nu一ent里，對(duì)單元流道進(jìn)行模擬分析。在數(shù)值

6、計(jì)算中，采用標(biāo)準(zhǔn)k—e湍流模型，用SIMPLE算法，得到數(shù)值模擬的結(jié)果，速度、溫度和壓力分布圖，為了節(jié)省版本，這里只把溫度分布圖示于圖2。3■啪0to~o7㈣融圖4折流板跨距對(duì)△p的影響從以上我們可以看出，矩形孔板式殼程縱向流換熱器在結(jié)構(gòu)參數(shù)(如折流板間距等參數(shù))變化的條件下，各自的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及壓翳柚··錐la捧¨·力降也各不相同，要想得到最佳參數(shù)使得換熱器傳熱效果較好，同時(shí)鏊^螬．蝴爨#m阻力損失也較小，是一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化的問(wèn)題。具體需按工程的要求選擇不同換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)以確定最佳參數(shù)，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。本文根據(jù)矩形孔板支撐換熱器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及流體流動(dòng)特點(diǎn)，提出了單元流

7、道簡(jiǎn)化模型計(jì)算方法，并對(duì)該模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，圖2Lr=-100mm時(shí)的單元流道溫度分布圖得到了單元流道殼程的流速、溫度及壓力降分布晴況。23結(jié)果分析。從圖2可以看出，流體在流經(jīng)矩形孔板后，由于孔板通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析了折流板跨距對(duì)殼程流體單元流道傳熱對(duì)流體的擾動(dòng)，流體在經(jīng)孔板后的部分區(qū)域內(nèi)，圖上顏色變化明顯，說(shuō)及流動(dòng)阻力的影響，從結(jié)果中得出，孔板間距對(duì)傳熱及流動(dòng)阻力的影明在該區(qū)域內(nèi)傳熱效果好，隨著流體流動(dòng)位置的前移，遠(yuǎn)離管壁處顏?lái)戄^大，較小的間距有助于傳熱，但阻力損失也隨之增大。作者簡(jiǎn)介：隋勇(1976一)，男，遼寧丹東人，工程師，