管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究

西安交通大学学报第卷第期年月管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究邓斌陶文铨西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安摘要采用全三维交错网格全隐格式的计算方法对管壳式换热器壳侧的流动进行了数值模拟基于各向模型和壁面函数法着重分析了管壳式换热器壳侧的湍流流动特性数值模拟结果和冷态实验数据的对比表明换热器壳侧的压力分布及压降的实验数据和计算结果符合良好计算值与实验值之间的最大偏差为左右采用各向异性多孔介质模型比现有文献中采用的异性多孔介质与分布阻力的概念采用修正的各向同性多孔介质模型更能有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性关键词管壳式换热器数值模拟实验研究中图分类号文献标识码文章编号管壳式换热器占有世界换热器市场总额的因此研究换热器壳侧流动的压降和换热规律具有重大的工程意义对换热器内的流动温度及湍流特性的详细了解有助于进行高效可靠的设计能够预测换热器内详细的流场与温度场只能给出整体的压降和传热系数因此人们越来越认识到基于一定实验数据的数值分析是获得复杂物理问题详细解的一个节省投资减少浪费方便可行的途径这些研究可以通过实验来实现但是实验随着各种模型的逐步完善以及数值计算方法的发展和实验数据的积累许多学者对换热器壳侧单测试费用昂贵而且耗时实际换热器中流场的可视化和湍流量的测量也相当困难而且这些方法并不相流动进行了大量的数值研究但这些模型过收稿日期作者简介邓斌男博士生陶文铨联系人男教授博士生导师基金项目万方数据国家自然科学基金资助项目国家重点基础规划资助项目西安交通大学学报第卷于简单仅仅局限于层流没有考虑管束产生的湍流及其耗散等人采用同位网进口边界条件的处理进口取轴向均匀流年速流入管壳式换热器时流速的方向是竖直向下的格多孔介质和分布阻力模型对管壳式换热器壳侧的湍流流场进行了研究但该文中对于三维多孔介质模型控制方程的建立未作任何说明个别表达方式也有待于完善在图所示情形中计算的进口截面为进口管与壳体相交的截面在图表示假设进口流速中以均匀方向为竖直向下则进口边界条件可表示管壳式换热器内某一点距进口管道如下当前面的文献无一例外地采用了各向同性多孔介中心线的距离小于时有质模型本文在三维交错网格的等人研究的基础上运用算法采用各向异性多孔介质模型对管壳式换热器壳侧的流场进行了研究并进行了大量的换热器冷态实验与之对照结果良好湍流脉动动能的进口条件取平均进口流速下的单位质量动能的耗散率取由数学模型此确定再按式确定控制方程组壳侧单相流动的体积多孔度表示的方程组可以统一表示为式中对控制容积来说是容积多孔度表示一个控制容积中流体部分所占的体积对控制容积的界面来说它表示表面渗透度表示表面流体所占的表面纵截面横截面压力测点图管壳式换热器简单示意图积为为流体密度为一般变量为速度矢量的源项为的扩散系数圆柱坐标系中壳出口边界条件的处理出口边界的位置与侧流体的各守恒方程的见表进口边界相对应即为出口管道与壳体相交的曲面边界条件取为表变量及相应的表达式对切向和轴向速度采用充分发展的条件对法向速度采用局部质量守恒的边界条件方向速度方向速度湍流脉动动能和耗散率采用充分发展边界条件方向速度在计算区域的其他固体边界上作为对流项中脉动动能的流速取作为所求解的变量函数法的思想来处理的边界条件需要按照壁面脉动动能耗散率对称线上的边界条件对于管壳式换热器来说沿竖直方向的直径纵剖截出的面即图为对称面在三维圆柱坐标系中为的面在这两个面上有中的注为个坐标方向上的分布阻力分量湍流常数为湍动能的产生率其表和达式见文献表中为流体的有效粘度可表示为分布阻力模型式中分别为湍流脉动动能及耗散率湍流常数基于对各向异性多孔介质中流动的研究在圆万方数据柱坐标系下定义分布阻力的个分量分别为半径第期邓斌等管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究情况无量纲进出口压差的定义为方向的献圆周方向的以及轴流方向的用文实验总结出的压降关系式可得到半径方向及圆周方向的分布阻力公式如下式中为轴线上速度的最大值由图可见这样定义的无量纲进出口总压降在双对数坐标中呈直线变化式中积的分别是错流区流过最小面方向速度及绝对值速度的大小上截到的管子排是一个几何因子它与管子的布置有关是流方向速度是一个计算单元中在平面数体密度是阻力系数对于轴向流动可采用压降关联式它描述的是通道内沿着管束的流动公式如下换热器中的管束会使湍流脉动动能的产生和扩散得到强化壁面附近湍流的产生主要是由于壁面剪切应力和平行于壁面的速度分量共同作用的结无量纲进出口压差随壳侧图的变化果根据文献换热器管束产生的湍流脉动动能的源项可表示为换热器壳侧沿程压力示于图中压力测点测点为窗口区靠近壁面上的点见图可以看到由入口测点到入口正对壁面测点以及从出口正对壁面测点到出口测点由图有假设管束中流体已达充分发展则脉动动能耗散率的源项可表示为较大的压降这是由于入口和出口区域的突扩突缩产生较大的局部阻力而流过每一块折流板的压降相对较小并且流过每一块折流板的压降相同从测式中由式确定点到测点压力呈线性下降由图中可以看壳侧不同计算结果与实验数据的对比到若采用无量纲压力降的定义式下的流动压降可以统一起来表示实验模拟的换热器数值计算结果图为在换热器壳侧布置块折流板时进出本文对一台换热器模型的壳侧流动进行了实验研究该换热器的主要特征是单壳程单管程图实验气体室温气体由引风机引风经过连接换热器流经换热器的气体流量可由位于引风机前的流量调节阀调节然后由引风机排出换热器中各测压点的位置布置参见图要说明的是对布置块折流板的情况与布口压差随壳侧的变化的定义如下式所示是整个实验台的示意图件进入式中为换热管管间距为错流区个数为换热器中心线或者距中心线最近管排上错流流动的质量速度在双对数坐标下进出口压差与壳侧几乎呈线性递增它的拟合公式如下需块或置块板稍有不同即入口测点正对入口的底和出口测点的位置不变第一个窗口区测点至最后一个侧测点正对出口的底侧测点万方数据为无量纲进出口压差随壳侧图的变化西安交通大学学报第卷窗口区测点之间的测点按错流区个数平均布置块折流板时总共为个测点布置是该换热器的主了计算个工况对应的进口气体体积流量分别为对于不同如布置块折流板时总共为个测点表折流板数目对换热器内流动的影响本文在相同的要几何及物理参数进口气体流量主要结果下进行了研究下面介绍实验结果及数值计算结果的对比对比计算采用了的非均分网格首表是选取块折流板时壳侧进出口总压降的计算值和实验值的比较计算值与实验值的最大偏差为由于计算时没有考虑管子与折流先选取块折流板来研究壳侧流量对换热器内湍流流动的影响表采用模型对个不同的工况进行管壳式换热器的几何及物理参数板折流板与壳壁之间的间隙而实际模型中这些间隙是存在的因此计算值偏高是合理的从实验的角度看该计算值与实验值吻合程度是较好的壳侧流体管侧流体空气水表壳侧进出口压降计算值和实验值壳侧直径的比较块折流板换热器长度相对误差折流板个数个工况计算值实验值换热管直径换热管数量入口喷嘴直径根图为个工况下个压力测点间压差的计算值与实验值的比较由图中可以看出当流量较小时计算值与实验值符合较好流量较大时情况较差总的来说采用实验值符合较好模型计算流场时压差数据与表是折流板数目分别为块气体进口有量纲流量为时壳侧进出口总压降的计算值和实验值的比较从表中可看出大为块板时偏差最小为块板时偏差较其他条件不变采用各向同性多孔介质模型对换热器壳侧的流动进行数值模拟并与冷态实验数据进行对照发现采用本文中的计算模型得出的计算结果与实验值的偏差比采用各向同性多孔介质模型要小可行性表左右从而证明了本文模型的有效性与无量纲压力测点为个时压力与壳侧图的关系相同进口流量下折流板数目不同时换热器进出口压降计算值与实验值的比较相对误差折流板数块计算值实验值万方数据图实验系统图第期邓斌等管壳式换热器壳侧湍流流动的数值模拟及实验研究工况工况工况工况工况图块折流板时各个工况压差的计算值和实验值比较结论根据体积多孔度表面渗透度的概念采用分布阻力方法建立了管壳式换热器壳侧湍流流动的三维数值模型其中管束对湍流的产生和耗散的影响采用修正的模型加以考虑壳壁和折流板的壁面效应采用壁面函数法处理使用该模型对一台换热器壳侧的流动进行了三维数值研究并将本文的计算结果与换热器的冷态实验结果进行了对照计算所得的压力分布及压降数据与实验值在流量较小时符合良好当流量较大时符合较差但总的最大偏差为左右同时通过与采用各向同性多孔介质模型的计算进行比较发现本文提出的模型能更有效地模拟管壳式换热器壳侧的流动特性参考文献万方数据下转第页