折流杆换热器的数值模拟及相关结构参数选择

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1、万方数据第36卷第2期化工机械123折流杆换热器的数值模拟及相关结构参数选择+严良文¨潘雷阚树林(上海大学)摘要在PHOENICS程序的基础上。引入多孔介质模型，用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理换热器内的管束；用分布热源考虑管侧流体时壳侧流体的影响，通过编写相应的程序，对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行了数值模拟。结果表明，采用上述模型能得到换热器的整体性能特性，并且与实验结果吻合。在此基础上。应用数值模拟的方法确定折流杆换热器的主要结构参数。从而为挟热器的结构设计提供了一种较新的方法。关键词折流杆换

2、热器数值模拟结构参数选择中图分类号TQ051．5文献标识码A文章编号0254-6094(2009)02-0123-05折流杆换热器由于具有流动阻力小、抗振性能强等特点被越来越广泛地应用。由于折流杆换热器的壳侧流体是纵向流过管束的，折流杆在支撑管束的同时也强化了壳侧的传热。因此，折流杆换热器具有体积小，成本低的特点。折流杆一般采用矩形排列方式，主要是加工方便，安装容易，但是导致单位面积的布管数受到限制，因此其结构形式仍然没有达到最优状况。当前，折流杆换热器的数值模拟已经日臻成熟，借助于数值模拟可以对换热器的内部场量进行分析

3、，提出结构改进方案，从而设计出结构合理的折流杆换热器已经成为一种趋势。目前，具有代表性的数值模拟模型可分为3类：一类是直接数值模拟，借助大型计算机的计算能力得到换热器内部的场量分布，进而求出换热器的准数方程，这种方法较为直接简单，但是对于大型的换热器，由于要求网格较多，计算时间长，要求计算机配置高，并且会出现计算发散的情况，因此很少在换热器的设计中加以应用；第2类是应用单元流道，一般取换热器的管束中心部分进行模拟，再进行传热性能分析，这种用部分代替整体的方式难以准确地反映换热器的真实性能¨’21；第3类是采用多孔介质模型

4、来简化换热器的计算，使其计算量远小于直接数值模拟，同时它能考虑到换热器的整体性能。可见，应用第3类模型来模拟折流杆换热器进行传热性能分析较为合理一1。本文拟应用大型商用软件PHOENICS的平台，引入多孔介质模型，用体积多孔度、表面渗透度和各向异性的分布阻力来处理折流杆内管束，用分布热源考虑管侧流体对壳侧的影响，选用工程上广泛采用的k-e湍流模型，编写相应的程序，对折流杆换热器的壳程流场和温度场进行模拟，旨在获得反映换热器整体性能特性的数值模型，在此基础上，应用该模型确定折流杆换热器的主要结构参数，从而设计出满足工艺要求

5、的换热器结构。1多孔介质模型下的守恒方程多孔介质模型就是将流体和固体划人同一个控制体H’51，通过对守恒方程的修改来表征固体的影响，用体积多孔度(即流体体积与整个控制体体积的比值)表示固体构件对控制体内流体体积的影响，并用表面渗透度(即流体表面与控制表面的比值)表示固体构件对控制体表面作用力的影响，而固体构件带来的动量及能量交换的影·本课题得到上海市教育委员会科研项目支持(A．10-0109-06-011)。··严良文，男，1967年10月生。工程师。上海市，200072。万方数据124化工机械2009年响在方程中引入分

6、布阻力和分布热源表示。1．1质量与动量守恒方程‘61三维流体的质量守恒方程为：塑+必+丛丝+必：0ataxa了az三维流体的动量守恒方程为：P詈+PⅡ罢+∥考+∥譬=一--(a2u+a矿2__uu+0护2u)一六P瓦+PⅡ瓦+∥万+∥面2一十a，，2十a彳2J一六p-却五+pu妾+∥考+p伽老=一面Optp。仃II孑02v+塑0y2+a∥2__2)一‘p瓦+∥面+．p伽瓦2一面。rpe仃I孑十一十azzJ一，，p警+p“蓑+胪茜+掣警=一塞+p。。(等+旁+警)一，p面+p“瓦+胪面+掣i2一盖+pcffI虿+可+iJ一

7、，·式中“、tJ、ll，——壳侧流体的速度分量，m／s；t——时间，8；P——流体的压力，Pa；P——流体的密度，kg／m3；正Z、卜茹、，，、z方向上的分布阻力系数；p。仃——等效动力粘度，Pa·s。若压力损失系数记为f，、￡、￡，则有：Z=≤LpuuR{‘=f∥Ⅱ。(3)＼fz=专觯2其中u。=√孺，压力损失系数可按照下式求出：和2(瓢矗)_1-f,)铲2(鲁)(矗)21-f,)弘2劁糍)(2)C，=1．156Re，乩2647(8000≤尺e。<2×105)(6)C，=0．619Re，一o·’98(Re，<8ooo)

8、(7)C，=1．156Re，。0·2鲫(8000≤Rey<2×105)(8)对于流体纵掠管束：C，=31／Re：(Re：<2250)(9)e=O．131／Re,o"搠(2250<。Re：<2．5×104)(10)C；=O．066／Re。0。227(Re。>2．5×104)(11)手小￡、f，1．2能量守恒方程⋯对于管