關于小型管殼式換熱器殼側(cè)換熱CFD的研究
作者：張毅
本文研究小型換熱器模型，忽略泄漏和旁路，選用單弓形折流板為殼側(cè)流體導流。其沿殼側(cè)交錯布置，支撐管束之外還可增大殼側(cè)流體湍流度。
換熱器設計常用參考為Kern模型和Bell-Delaware模型。Kern模型較保守，適用于預設計選值；而Bell-Delaware模型能較準確估測殼側(cè)幾何構型對壓降和傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)設計缺陷，但無法指出缺陷所在。本文使用CFD方法，建立小型管殼式換熱器模型，使用軟件ANSYS Fluent 6.3和Gambit，將殼側(cè)流場和溫度場可視化。本研究采用三種殼側(cè)人口流速，對比模擬結果與Bell-Delaware模型數(shù)據(jù)，確定最佳折流板間距。
1 管殼式換熱器模型建立
本研究中，殼側(cè)流體為水，為提高匹配度，根據(jù)參考文獻中飽和水蒸氣熱物理性質(zhì)表，運用線性函數(shù)重新定義Fluent中常數(shù)水的物理參數(shù)。圖1為本文研究的六塊折流板的小型換熱器模擬示意圖，表1為該小型管殼式換熱器的設計參數(shù)。
流動問題在數(shù)值計算前需求解連續(xù)性方程和動量方程。本文考察換熱器溫度場，故需另求解能量方程。表2為本文采用的數(shù)值模擬控制方程。
表2各式中：p是空氣密度；t是時間長度；U是合速度；u、v和w分別是速度矢量在x、y和z方向上的分量；p是流體微元體上的壓力；Txx、Txi和丁。等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應力r的分量；F、F和E是微元體上的體力；ketr是有效導熱系數(shù)，Z，是組分/ 7的擴散通量。方程右邊的前三項分別描述了熱傳導、組分擴散和粘性耗散帶來的能量疏運。源項S為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，包括了化學反應熱、輻射熱、相間熱量交換以及自定義的體積熱源項目，有時簡稱其為粘性耗散相。
殼側(cè)流體進口為速度進口，速度特征均勻，溫度為300K，出口為壓力出口，無壓降；壁面為無滑移條件；換熱器與外界絕熱，殼側(cè)無熱流。因管側(cè)流動易求解，故本文主要研究殼側(cè)流動，模型中管為實心圓柱體，管壁溫度為450K定溫。
運用CFD數(shù)值模擬前需對物理對象進行建模和網(wǎng)格化分。本模型的面網(wǎng)格為四邊形網(wǎng)格，體網(wǎng)格為四邊形一雜交網(wǎng)格，用兩種網(wǎng)格劃分方式前處理6塊折流板的換熱器模型。粗網(wǎng)格約為700，000個；細網(wǎng)格約為1360，000個。
本模型殼側(cè)流體流動為湍流。湍流模型的選擇目前也沒有通用標準。
本研究采用了Spalart Allmaras模型和兩種不同的k一s湍流模型。其中，Spalart Allmaras湍流模型只需求解一個湍流方程，是ANSYS Fluent計算量最小、最經(jīng)濟的模型。標準k-8雙方程模型為基于漩渦粘度各向同性的假設基礎上的半經(jīng)驗模型，經(jīng)濟、準確、適用范圍廣泛，其渦流粘度C為常數(shù)。另有Realizable k-8模型，其采用新湍流粘度公式，故C為變量表達式。
通過CFD求解非線性方程組，將其離散化。離散方法分為有限差分法、有限元法和有限元體積法等。其中，有限體積法因其計算的高效率，為商用的CFD軟件采用，本文也選用此方法。
離散后生成對流一擴散問題的離散方程組。一階和二階迎風格式本文皆有相關模擬。一階離散中，壓力選用標準格式，動量、湍流動能和耗散率選用一階迎風格式；二階離散巾，所有量都選用二階迎風格式。壓力殘差收斂標準取為10-6，其他項殘差取為10-3。
2 湍流模型和離散階對CFD模擬結果的影響
本文采用六塊折流板的小型換熱器模型進行研究，如圖1。
一階和二階離散格式，以及三種不同的湍流模型（Spalart Allmaras模型，標準k-8模型和其修正式）分別用粗細兩種網(wǎng)格密度來進行模擬，以考察湍流模型、離散階及網(wǎng)格密度的選擇對模擬結果的影響。模擬結果與Kern模型和Bell-Delaware模型的對比示于表3中，殼側(cè)壓降可直接由CFD導出得到，傳熱系數(shù)通過對數(shù)平均溫差( LMTD，log -mean -temperature-difference)的方法求得。
分析表3，可知模擬結果全高于Kern模型值，是因Kern模型本身較保守，而模擬結果與Bell-Delaware模型擬合度較高，且質(zhì)量流率越小擬合度越高。同時，模型選擇對模擬結果有一定影響，這體現(xiàn)在不同模型結果與Bell-Delaware方法計算值的差別上。通過剔除差別較大的模型，得到與Bell-Delaware方法最相匹配的模型選擇。
在B情況中，殼側(cè)出口溫度隨著質(zhì)量流量的增大而增大，總傳熱效率不符合常理，因此首先剔除。在A，D，D-2三種情況中，湍流模型為標準k-8湍流模型，殼側(cè)出口溫度各異，但是總傳熱效率與Bell-Delaware的差別隨著質(zhì)量流量的減小而增大，因此也被剔除。C，E，E-2三種情況應用了k一s湍流模型的修正式，殼側(cè)出口溫度隨著質(zhì)量流量的增大而降低，總傳熱效率的模擬結果也在預計范圍內(nèi)，其中，E情況為Bell-Delaware方法的最佳匹配模型，即修正式k-8湍流模型，精細化網(wǎng)格的一階離散格式。
整體看來，表3中的壓降都低于分析計算值，究其原因，主要是因為折流板與殼側(cè)直徑之比B/Ds=0.96滿足推薦的給折流板開口為B，=36%換熱器的值。若折流板缺口面積比流體橫截面小很多，模型就會低估壓降大小。與文獻[16]中提到的相反，Mukherjee建議，最優(yōu)化的B/D.,應在0.3～0.6之間，本研究證明了B/D，值應在0.96上適當減小，故在分析中，對于已知長度的小型換熱器，可減小B/Ds值，即增大N值。
3 折流板間距對換熱器壓降和傳熱的影響
在折流板開口為36%時，本研究考察已知長度的換熱器中四種不同數(shù)量折流板（即四種折流板間距）對殼側(cè)流體壓降和傳熱的影響。表4為四種模型的基本情況。
模型采用修正式k-8湍流模型，精細化網(wǎng)格的一階離散格式，12塊折流板模型達1568，850個網(wǎng)格。四種模型分別用殼側(cè)人口流體三種不同的質(zhì)量流量來模擬，得到的12種結果列于表5中，各參數(shù)與Kern方法和Bell-Delaware方法的差值比列于表5中。
由表6的結果可以看出，減少折流板間距（即增多折流板數(shù)量），模擬結果與Bell-Delaware的匹配性提高，但與Kern方法的匹配性提升不明顯。通過調(diào)節(jié)B/Ds的比值，8，10，12塊折流板與Bell-Delaware方法擬合良好，在質(zhì)量流量為lkg/s時，兩者之差可減小至10%以內(nèi)。壓降結果也有所改良，對于12塊折流板的情況，差別小至10%。
在質(zhì)量流量為lkg/s的情況下，四種不同數(shù)量折流板情況的速度路徑曲線為圖2～5。
在圖2和圖3中，流體撞擊折流板，流向改變，出現(xiàn)返流區(qū)域，折流板后部殼側(cè)空間傳熱效果大大降低，影響總傳熱效率。而在圖4和圖5中，流體在殼側(cè)空間充分發(fā)展，返流區(qū)域消失，傳熱效果良好，這一點在數(shù)據(jù)上也有所體現(xiàn)。因為Bell-Delaware模型為基于收集大量實驗的換熱器數(shù)據(jù)，因此必然有與實驗最為吻合的一個CFD模型。
4 結論
1)考察不同網(wǎng)格劃分精度、離散階和湍流模型的選擇對于結果的影響，將結果與Bell-Delaware方法計算值對比，可知修正式k-8湍流模型，精細化網(wǎng)格的一階離散格式為最佳模型。
2)Kern模型傳熱系數(shù)值總比模擬結果小。
3 )Bell-Delaware模型與模擬結果吻合度高。對于傳熱效率，Bell-Delaware模型和模擬結果相差大多數(shù)情況下都小于2%，驗證了Bell-Delaware模型在換熱器設計領域的權威性。
4)高吻合也說明CFD是求解換熱器流場和溫度場的很好工具。隨著計算機技術的發(fā)展，學者可用CFD技術模擬大型管殼式換熱器，以幫助設計人員設計更佳性能的換熱器。
5摘要：本文運用CFD軟件Fluent對小型管殼式換熱器殼側(cè)流場和溫度場進行數(shù)值模擬，研究不同數(shù)量折流板（即不同折流板間距）對于換熱器壓降大小和傳熱系數(shù)的影響。對比CFD模擬結果與Bell-Delaware實驗數(shù)據(jù)，結果吻合良好，證明了本數(shù)值模擬的準確性。
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