文档介绍：FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场
  摘要:基于各向异性多孔介质与分布阻力模型、修正k-ε模型和壁面函数法,对普通管壳式换热器壳程流体的流动与传热,利用FLUENT软件进行了三维数值模拟。计算了不同流体初速下,管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,计算结果与实际情况相符,得到了有参考价值的结论。
关键词:管壳式换热器数值模拟 FLUENT 多孔介质分布阻力模型

  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FLUENT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。
  FLUENT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-ENT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
  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,一般可取局部单向化条件。
  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。
 
  GAMBIT网格模型
  (1)确定求解器
  选择用于进行CFD计算的求解器,为Fluent/Fluent5。
  (2)创建换热器模型及划分网格利用GAMBIT创建管壳式换热器的网格模型[7],即根据表1的几何参数绘制出换热器几何体,并在GAMBIT中创建三维物理模型,划分网格的间距为1mm。
  (3)定义边界类型
  在此模型中的边界类型有四种:进口(inlet)、出口(outlet)、管壁(gwall)以及壳壁(qwall)。
  (4)输出网格文件
  选择File/Export/Mesh,输入文件的路径和名称。
  (5)流体的物理参数
  壳程介质为水。常压;流体初速分别取