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FLUENT软件模拟管壳式换热器的三维流场

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-05-12 0:53:59 * 浏览: 23
lt,FONTnbspface = Verdanagt,nbsp摘要:基于各向异性多孔介质和分布阻力模型,改进的k-ε模型和壁函数方法,用于普通管壳式热交换器的壳侧流体的流动和传热,使用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初始速度下管壳式换热器壳侧的速度场,温度场和压力场。计算结果与实际情况相吻合,得出具有参考价值的结论。 Lt,BRgt,关键词:管壳式换热器数值模拟FLUENT多孔介质分布阻力模型lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp数值模拟是换热器研究的重要手段。 1974年,Patankar和Spalding提出了将计算流体动力学应用于模拟管壳式换热器壳侧流场的方法[1]。但是,由于当时计算机和计算流体动力学的局限性,研究进展缓慢。在1980年代,由于核电厂换热设备的大规模,高参数化发展,促进了换热器的数值模拟研究[2,3]。关于国内外换热器的数值模拟研究,更多的是二维研究,而在三维研究中,通常采用自己的编程方法[4,5]。利用FLUENT软件模拟管壳式换热器壳侧的三维流场,进行了有益的探索。 lt,BRgt,nbspFLUENT是世界上使用最广泛的CFD软件,用于计算流体流动和传热问题。 FLU-ENT软件基于CFD软件组的思想,从用户需求的角度出发,针对各种复杂的流动物理现象,采用不同的离散格式和数值方法来进行计算的速度,稳定性和准确性。一个特定的领域。达到良好的结合,从而有效解决各个领域复杂的流量计算问题。 lt,BRgt,nbsp1仿真模型lt,BRgt,nbsp1.1计算模型lt,BRgt,nbsp管壳热交换器壳侧流场的数值计算,使用多孔介质和分布阻力模型。由于换热器壳侧结构复杂,流态多样,影响流体流动和传热的因素很多,与管侧相比,壳侧流体的数值模拟较为复杂,尤其是如果是复杂的挡板结构。为了这。对于普通的折流板换热器,壳侧流体有时垂直于管束,有时平行于管束,并且一部分流体从折流板和管之间的间隙泄漏,并且换热器之间管中的流体和管外的流体加在一起,壳管式换热器壳侧流场的数值模拟要求使用多孔介质和分布式阻力模型来简化计算。分配阻力是考虑由热交换管的固体表面对流体流动造成的动量损失。 lt,BRgt,根据多孔介质模型和分布阻力模型,可以建立三维圆柱坐标系中流场和温度场的控制方程[6]。另外,还可以建立控制方程的边界条件:(1)热交换器入口流体的焓值(温度),(2)壳侧流体入口部分的速度分布,(3)壳体的热边界条件(一般是绝热的),(4)换热器的出口通常可以采用局部单向条件。 lt,BRgt,nbsp 1.2几何模型lt,BRgt,nbsp几何模型采用普通的管壳式换热器,单管通过,单壳通过和弓形折流板,其结构示意图如图1所示,传热几何参数表1。 lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp1.3 GAMBIT网格模型lt,BRgt,nbsp(1)确定求解器lt,BRgt,nbsp选择用于CFD计算的求解器,即Fluent / Fluent5。 lt,BRgt,nbsp(2)创建热交换器模型并对其进行网格化。使用GAMBIT创建管壳式换热器的网格模型[7],即根据表1的几何参数绘制热交换器的几何形状。在GAMBIT中,使用网格间距创建三维物理模型。 1mm Lt,BRgt,nbsp(3)定义边界类型lt,BRgt,nbsp该模型有四种边界类型:入口(入口),出口(出口),管壁(gwall)和壳壁(qwall)。 Lt,BRgt,nbsp(4)输出网格文件lt,BRgt,nbsp选择File / Export / Mesh,输入文件的路径和名称。 Lt,BRgt,nbsp(5)流体的物理参数lt,BRgt,nbsp壳侧介质是水。在常压下,初始流体速度为0m / s,3m / s,5m / s和10m / s,流体入口温度为360K,流体出口温度为320K,管壁温度为300K。 lt,BRgt,nbsp 1.4求解模型lt,BRgt,nbsp(1)使用Fluent软件建立求解模型,进行数值模拟。解的条件为分离(解耦解法),隐式(隐式算法),3D(三维空间),稳态(恒流)和绝对(速度)。 Lt,BRgt,nbsp(2)设定标准的k-ε湍流模型当使用k-ε模型时,应参考相关文献来选择湍流粘度系数的值。 Lt,BRgt,nbsp(3)设定边界条件设定流体入口边界条件,出口边界条件和壳壁的边界条件。 Lt,BRgt,nbsp(4)设置监控器和迭代计算采用不同的初始速度并开始迭代计算。当迭代为130到150次时,计算收敛,并对残差曲线进行分析。 lt,BRgt,nbsp2结果与讨论lt,BRgt,nbsp2.1模拟结果lt,BRgt,nbsp(1)压力场lt,BRgt,nbsp分别模拟不同初始速度的壳侧流体压力场,其中s的压力场分布如图2所示。lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp(2)速度矢量场分别模拟具有不同初始速度的壳侧流体速度矢量场。其中,初始速度为5m / s的速度矢量场如图3所示。lt,BRgt,lt,BRgt和nbsp(3)速度矢量场的温度分布模拟了壳侧的温度分布。分别以不同的初始速度计算流体速度矢量场,图中显示了初始速度为5m / s时的速度矢量场温度分布。显示了图4。 lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp(4)特殊平面压力分布图以初始速度10m / s进行操作,在x = 0平面上创建压力分布图,如图5所示。 BRgt,lt,BRgt,nbsp(5)在初始速度为10m / s时计算出流线图,沿壳侧从入口到出口的流体流线图如图6所示。 lt,BRgt,nbsp(6)以初始速度10m / s计算XY曲线,分析管壳式换热器中的流体压力分布,并绘制XY曲线。取坐标系中的点(0.02、0.02、0.2)和点(0.02、0.02,-0.2),结果曲线变化如图7所示。lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp 2.2结果讨论lt, BRgt,nbsp(1)当使用Fluent进行数值模拟时,可以使用二阶离散化方法来避免一阶离散化方法。数据上下波动。 lt,BRgt,nbsp(2)流场压力特性lt,BRgt,从图2和图6可以看出,流体在入口和出口处产生较大的压降,并且流过每个挡板的压降相对较大每个挡板上的压降基本相同。至于热交换器的壳侧流场的总压力分布,从图2,图6和图7可以看出,沿着流动方向的整体下降趋势。 lt,BRgt,nbsp(3)如图3所示,流场速度矢量lt,BRgt,由于存在挡板,速度周期性变化,换热管的存在使流体之间混合在每个挡板附近都有一个流速较低的区域,而在入口和出口的区域内,流体变化很大。 Lt,BRgt,nbsp(4)流场温度分布lt,BRgt,如图4所示,温度沿壳体侧的流动方向逐渐降低,并且随着挡板数量的增加,降低温度逐渐降低。对于初始速度为5m / s的流体,温度范围为317.54K至360.01K。 Lt,BRgt,nbsp(5)流线分析lt,BRgt,图6显示了从入口到出口的流体流线图,该图总共设置了10条流线,清楚地描述了流体的流动轨迹。 lt,BRgt,nbsp3结论lt,BRgt,nbsp本文以常用的拱形折流管和壳式换热器为研究对象,并对壳侧3D流场的传热与传热进行了数值模拟。交换器已执行。得到了换热器壳侧流体在不同初始流体速度下的压力场,温度场和速度矢量场的分布图,并对结果进行了讨论。计算结果与实际情况吻合,表明该计算模型是合适的。本文利用FLUENT软件对换热器壳侧流场进行了三维数值模拟,为换热器的数值研究提供了有益的探索。 lt,BRgt,lt,BRgt,nbsp文章来自:China Heat Exchanger lt,/ FONTgt,