6982管殼式換熱器流動(dòng)區(qū)域的數(shù)值計(jì)算及流動(dòng)再現(xiàn)2

文章出處：作者：TatianaSavtchenko,ManfredFallen,andFritzEbert期刊名：Chem.Eng.Technol.出版社：WILEY-VCHVerlagGmbH,年份：2001頁碼：706-711管殼式換熱器流動(dòng)區(qū)域的數(shù)值計(jì)算及流動(dòng)再現(xiàn)管殼式換熱器是工業(yè)上經(jīng)常使用的換熱設(shè)備。在他們的設(shè)計(jì)過程中，常常假定一束管子中的速度是相同的。由于入口處交叉段的急劇變化，流動(dòng)無法沿著入口處等高線而進(jìn)行，因此流動(dòng)發(fā)生分離。入口處形成了漩渦，這就導(dǎo)致了進(jìn)入管束的流動(dòng)速度的不同。本文敘述了管殼式換熱器的水利優(yōu)化的一個(gè)方法的框架：包括實(shí)際管殼式換熱器的測量，在一個(gè)水流通道中流動(dòng)區(qū)域的模擬及應(yīng)用CFD程序的數(shù)值計(jì)算。本文將顯示出現(xiàn)在一束管中的速度輪廓線以及影響速度的參數(shù)。利用流動(dòng)方法得到的分布結(jié)果可以評(píng)價(jià)熱交換、擴(kuò)散以及結(jié)垢的不均勻性。1.概述不規(guī)則的速度分布可以發(fā)生在管面上，也可以發(fā)生在管殼式換熱器的殼面上。[1]顯示了發(fā)生在管殼式換熱器殼面上的從均勻到不均勻的速度輪廓線的熱流率。提高不規(guī)則流速傳熱會(huì)惡化，最大熱量衰減只能達(dá)到5%。[2]分析了傳熱管殼式換熱器管殼面不均勻流動(dòng)分布的影響。然而，理論上的評(píng)價(jià)決定了速度的輪廓線。入口處的流動(dòng)分為核心區(qū)域和混合區(qū)域。結(jié)果證明入口處的速度主要分布在核心區(qū)域。在混合區(qū)域速度按指數(shù)方式逐漸衰減，指數(shù)的大小取決于管子與核心區(qū)域的距離。分析結(jié)果是管束中的不均勻分布使傳熱的衰減達(dá)到5.4%。林可和迪亞[3，4]變化入口和出口處管箱的形狀和維數(shù)，并且測定了他們對(duì)管束中速度分布的影響。與之對(duì)照的管束中的恒定流動(dòng)分布，僅僅當(dāng)入口處交叉段區(qū)域至少等于管子自由交叉段區(qū)域的總和時(shí)才會(huì)發(fā)生。[5]指出了避免流動(dòng)分離的入口處的最佳形式。然而，那樣的流動(dòng)擴(kuò)散有本質(zhì)的缺點(diǎn)——流線太長，流形很難產(chǎn)生。[6]作為流動(dòng)分布參數(shù)研究了導(dǎo)管系統(tǒng)的分支摩擦系數(shù)。由于管束阻力的提高，形成了常量分布。在[7]中入口和出口處的幾何尺寸，比如管束入口噴入管管箱的長度、面積比例及管箱的形狀都發(fā)生了變化，決定了他們對(duì)管殼式換熱器的傳熱和散熱率的影響。結(jié)果表明最短的入口導(dǎo)致了較多的散失，而出口與入口比較對(duì)消散的影響較小。Savtchenko[8]andSavtchenko,Fallen,Ebert[9](人名)描述了一個(gè)系統(tǒng)的過程，包括CFD計(jì)算、流動(dòng)再現(xiàn)和實(shí)際測量。這種方式允許更好地歸納結(jié)果，將他們引用到其他系統(tǒng)中，并且快速地執(zhí)行最佳的計(jì)算。幾何形狀的改變對(duì)傳熱、散失和結(jié)構(gòu)的影響可以更直接地得到評(píng)價(jià)。2.流動(dòng)再現(xiàn)為了評(píng)價(jià)管殼式換熱器中的流動(dòng)區(qū)域，采用了簡單的再現(xiàn)方式，這種方式基于粒子添加進(jìn)循環(huán)水流動(dòng)的自由表面。這種模式由管殼式換熱器的縱向段的二維全尺寸組成。圖1所示是定義了漩渦位置的入口管箱的流動(dòng)形狀。從圖中可以很明顯地看出，在管箱中形成了兩個(gè)很大的漩渦。出現(xiàn)了漩渦形成和分解的整個(gè)過程。需要的能量從原料流中分離出來。主要的流動(dòng)分布在管束的中間的幾根管子上。從中間到壁側(cè)管子平面入口流動(dòng)的角度變得較單調(diào)，這就導(dǎo)致了外圍管中的較低流速。在管箱的邊緣區(qū)域流動(dòng)停滯了，這就導(dǎo)致了壁側(cè)的管子中的較大的流速。從圖中可以很清楚地看到在管子平面的不規(guī)則的媒介分布。圖1為了影響流動(dòng)的狀況，入口管箱的尺寸，比如管箱的長度h以及管口直徑dst與殼體直徑d的比值都是變化的。圖2和3所示的漩渦是與圖1所示的，取決于與管箱長度的軸定義相關(guān)的時(shí)間平均坐標(biāo)。在槽體中已被測量的漩渦的位置與用CFD計(jì)算的位置相比較。隨著槽體長度的增加，漩渦如預(yù)料中地移動(dòng)而且靜水位置擴(kuò)展了。根據(jù)[10]，h值等于入口管口直徑的8到10倍時(shí)，是導(dǎo)致漩渦衰減的必要條件，而且流動(dòng)滯留在壁側(cè)。結(jié)果，入口處過長了。圖2圖3出口管箱的流動(dòng)條件也很有價(jià)值。圖4所示的是這部分區(qū)域的流動(dòng)狀況。流動(dòng)從管子到出口管箱。由于交叉段的突然變化，導(dǎo)致出現(xiàn)了很強(qiáng)的紊流和分離的出現(xiàn)，這使得自管子平面衰減了一小段距離。當(dāng)前的流動(dòng)路徑匯集到一起。圖4使用防沖板，可能改變?nèi)肟谔幍牧鲃?dòng)條件。圖5所示是落下的彈性水流通道。這里，可以看到一隊(duì)v字形的原料流。主要的漩渦的尺寸已經(jīng)被減小了，然而，一個(gè)靜水區(qū)域在滴狀區(qū)后面形成了。把液滴向管子平面移動(dòng)，可能減少液滴后面的分離區(qū)域面積。圖5兩個(gè)向外傾斜的阻擋平面（見圖6）把原料流分成三個(gè)主要的流動(dòng)。然而，靜水區(qū)域占據(jù)了入口管箱的很大面積造成了管子平面速度的不均勻分布。圖63.數(shù)值計(jì)算管殼式換熱器的進(jìn)一步流動(dòng)優(yōu)化由其他的FIDAP之中的CFD程序?qū)崿F(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)的模型用于紊流的模擬。數(shù)值計(jì)算合理的第一步是由水流通道的圖片來證明。為了便于比較，實(shí)現(xiàn)了換熱器的速度區(qū)域的2維評(píng)價(jià)。熱交換模型由三個(gè)獨(dú)立的部分組成：入口管箱、出口管箱和互相連接的管束。由于這樣的劃分和與之相適應(yīng)的入口管箱和出口管箱區(qū)域的坐標(biāo)系（BFC），與流動(dòng)相適應(yīng)的網(wǎng)格形成了。圖7所示是部分使用的網(wǎng)格?？梢院芮宄乜吹骄W(wǎng)格在入口處與管箱會(huì)合格點(diǎn)處很好而且速度梯度如期望的很大。假設(shè)流動(dòng)區(qū)域是對(duì)稱的，這里只是模擬換熱器的一半。圖7在流動(dòng)邊界層條件下，問題可以被觀察到。在入口處，流動(dòng)速度的輪廓線、紊流動(dòng)能和擴(kuò)散率都在殼體有粘性條件下給出了。管束被模擬成由直通道組成的多孔滲水體。管子單元被給予一定的多孔性，根據(jù)下面的面積比值公式計(jì)算。（1）式中n是管子數(shù)，是管子內(nèi)徑，是殼體內(nèi)徑。管束中的壓降，由下式計(jì)算：（2）式中是局部速度，是摩擦系數(shù)，是媒介物的密度。評(píng)價(jià)是在等溫條件下實(shí)現(xiàn)的。圖8圖8所示的入口管箱的流動(dòng)條件和標(biāo)準(zhǔn)化的管束中一排管子的速度輪廓線。流動(dòng)的分布與水流通道中的試驗(yàn)結(jié)果相符。中間的管子的流速很高。越靠近殼體速度就越小，導(dǎo)致了一個(gè)菱形的分布?？梢杂^察到數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與在槽中的試驗(yàn)觀察有很好的流速一致性。估計(jì)的速度輪廓線與在真正的換熱器中的測量結(jié)果在很大程度上相符。圖9圖9描繪了出口管箱的流動(dòng)條件。從圖中可以看到由于流動(dòng)的分離而出現(xiàn)了脫離管束的很多小的漩渦。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果也與水流通道中的試驗(yàn)結(jié)果相符。圖10有不同流動(dòng)引導(dǎo)擋板的入口管箱流動(dòng)條件的模擬，導(dǎo)致了形成擋板的一些單元被阻塞或者形成了與柵格的關(guān)系。圖10所示為兩個(gè)擋板對(duì)于瞬時(shí)流動(dòng)分布計(jì)算的影響。時(shí)間間隔自動(dòng)變化，如果最后迭代間隔變化的梯度太大就無法滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)。這種情況下時(shí)間步調(diào)簡化一半。過程重復(fù)直至誤差小于給定的條件。計(jì)算也適用于形象流動(dòng)。速度輪廓出現(xiàn)了三個(gè)極大值：中間位置和流動(dòng)被擋板分離的點(diǎn)上?？傊?，可以再一次說在管殼式換熱器的入口管箱數(shù)值計(jì)算與形象流動(dòng)的模式相匹配。（圖11）圖11此外，影響速度分布的參數(shù)已經(jīng)很接近地分析了。這些參數(shù)是入口管箱的幾何尺寸，如無量綱管箱長度，直徑的比值和管束的多孔性。提高管箱的長度，主要流動(dòng)的寬度會(huì)增加，因此中心流動(dòng)區(qū)域就增大了（如圖12）。除非達(dá)到這個(gè)比值，進(jìn)而進(jìn)一步提高這個(gè)參數(shù)，否則管束菱形負(fù)荷很難改變。再增加管箱的長度不會(huì)進(jìn)一步影響流動(dòng)了。圖12提高的比值對(duì)管束的流動(dòng)輪廓線有一個(gè)后期的影響。在較低的比值下會(huì)發(fā)生反向的流動(dòng)（見圖13）。向后流動(dòng)的出現(xiàn)也可以在試車換熱器的試驗(yàn)中觀察到，但是流動(dòng)必須是軸對(duì)稱的。圖13改變多孔率（見圖14），根據(jù)公式1面積比值和管束的阻力都會(huì)變化。多孔率的數(shù)值等于1意味著單元會(huì)絕對(duì)打開流動(dòng)不會(huì)遇到任何來自管束的阻力。降低多孔率和管子的直徑，結(jié)果管束的阻力會(huì)增大。這對(duì)流動(dòng)有一個(gè)后期的影響，而且菱形速度輪廓線的清晰度也下降。需要強(qiáng)調(diào)的是，菱形分布對(duì)傳熱是非常不利的。在溫度差別很大的地方，可能導(dǎo)致極嚴(yán)重的通過較小負(fù)荷管或這些管子中的較差的熱交換。此外，還可以預(yù)測污垢。圖144.結(jié)論依據(jù)換熱器中管束的入口管箱的流動(dòng)狀況，流速在管束中單管內(nèi)有很大差別。這是由在換熱器的入口處突然的交叉段的改變使得靜水區(qū)域的出現(xiàn)造成的。入口管箱的流動(dòng)區(qū)域在水流通道中很明顯可與數(shù)值模擬結(jié)果相比較。比較證明計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致是優(yōu)化換熱器的基礎(chǔ)。流動(dòng)區(qū)