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FL UENT 软件模拟管壳式换热器壳程三维流场 刘利平 3 黄万年 (郑州大学化工学院

摘 要 -, , T 软件进行了三维数 、温度场和压力场 , , 。 管壳式换热器 数值模拟 FLU EN T 多孔介质 分布阻力 模型 0 前言

数值模拟是换热器研究的一种重要手段 。 应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳 程流场 , 由 Patankar 与 Spalding 在 1974年最 早提出 [1]。 但由于受到当时计算机与计算流体 力学的条件限制 , 研究进展缓慢 。 20世纪 80年 代 , 由于核电厂换热设备的大型化 、 高参数化 发展 , 促进了换热器数值模拟研究的开展 [2, 3]。 关于国内外的换热器数值模拟研究 , 采用二维 研究的较多 , 而在三维研究方面 , 又通常采用 自己编程的方法 [4, 5]。利用 FLU EN T 软件 , 模 拟管壳式换热器壳程三维流场 , 本文进行了有 益的探索 。

FLU EN T 是世界领先 、 应用广泛的 CFD 软件 , 用于计算流体流动和传热问题 。 FLU 2 EN T 软件是基于 CFD 软件群的思想 , 从用户 需求的角度出发 , 针对各种复杂流动的物理现 象 , 采用不同的离散格式和数值方法 , 使得特 定领域内的计算速度 、 稳定性和精度等达到最 佳组合 , 从而高效率地解决各个领域的复杂流 动计算问题 。 1 模拟模型

111 计算模型

管壳式换热器壳程流场数值计算 , 采用了 多孔介质与分布阻力模型 。 由于换热器壳程结 构复杂以及流动形态多样化 , 使得影响流体流 动和传热的因素多 , 相对于管程而言 , 壳程流 体的数值模拟复杂 , 特别是具有复杂折流板结 构的情况 , 更为如此 。 对于普通折流板换热器 , 壳程流体时而垂直于管束 , 时而平行于管束 ,

还 有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄 漏 , 同时管内流体与管外流体的热交换耦合在 一起 , 因此进行管壳式换热器壳程流场的数值

模拟 , 需要采用多孔介质与分布阻力模型来简 化计算 。 分布阻力是考虑换热管固体表面对流 体流动所造成的动量损失 。

根据多孔介质模型与分布阻力模型 , 可建 立三维圆柱坐标系中流场与温度场的控制方 程 [6]。此外 , 还可建立控制方程组的边界条件 : (1 换热器入口流体的焓值 (温度 ; (2 壳程 流体进口截面的速度分布 ; (3 壳体的热边界 条件 (一般处理为绝热 ; (4 换热器出口 , 一 3刘利平 , 女 , 1965年 6月生 , 副教授 。郑州市 , 450002。

45FLU EN T 软件模拟管壳式换热器壳程三维流场 般可取局部单向化条件 。 112 几何模型

几何模型采用普通管壳式换热器 , 单管程 、 单壳程和弓形折流板 , 其结构简图如图 1所示 , 换热器的几何参数列表 1

。

图 1 管壳式换热器的结构 表 1参数 800 mm 40006 mm 300换热管数量 25 换热管直径 mm 57

113 GAM B IT 网格模型

(1 确定求解器 选择用于进行 CFD 计 算的求解器 , 为 F luen t F luen t 5。 (2 创建换热器模型及划分网格 利用 GAM B IT 创建管壳式换热器的网格模型 [7] , 即