基于CFD數(shù)值模擬的換熱器管箱內(nèi)流場(chǎng)分析

劉紅姣,黃劍川,路 平,晉 梅

(江漢大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 ,湖北 武漢 430056)

列管式換熱器是石油化工、動(dòng)力、冶金、制冷等行業(yè)廣泛使用的熱交換設(shè)備。換熱器的管箱位于筒體的兩端，其作用是把從進(jìn)口管輸送來(lái)的流體均勻分配到每根換熱管，或是把從換熱管內(nèi)匯集起來(lái)的流體輸送出去。在設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，一般假定從進(jìn)口管輸送來(lái)的流體經(jīng)過(guò)管箱后均勻分配到每根換熱管，但實(shí)際由于流通截面的突然變化，管箱內(nèi)流體流動(dòng)產(chǎn)生射流導(dǎo)致?lián)Q熱管內(nèi)流體流速的差別較大，一方面會(huì)大大降低換熱效率，一方面由于流速不同，管板上壓力分布不均會(huì)導(dǎo)致管子與管板處發(fā)生沖蝕開(kāi)裂，造成換熱器泄露失效。現(xiàn)有文獻(xiàn)中，如賀俊杰[1]、付磊[2]等多是對(duì)換熱器殼程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)于管程和管箱流場(chǎng)數(shù)值模擬研究不多，吳金星[3]研究了封閉錐形導(dǎo)流筒對(duì)管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，劉紅姣[4]研究了不同管箱直徑、長(zhǎng)度和流速下管箱內(nèi)流場(chǎng)的分布情況。本文提出了三種不同半錐角的開(kāi)式錐形導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，利用數(shù)值模擬的方法分析了不同導(dǎo)流筒對(duì)管箱流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，模擬結(jié)果表明開(kāi)式導(dǎo)流筒可以明顯改善管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布。

1 物理模型與數(shù)值方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以單管程標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭換熱器進(jìn)口管箱為研究對(duì)象，其換熱器封頭管箱的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管箱幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

封頭管箱三維模型如圖1所示，由于管箱填充后產(chǎn)生的接觸面較多，以及模型本身所帶有的厚度給邊界條件的設(shè)置帶來(lái)諸多不便。在這里我們采用一種類似于"澆注"的畫法，去掉模型的外殼，直接將模型中流體流動(dòng)的軌跡表示出來(lái)，即將模型中充盈的流體畫出，將管板處每一個(gè)流入管束的流體按照管子的外輪廓畫出[5]。對(duì)于模型網(wǎng)格，本文采用Meshing劃分網(wǎng)格，在Meshing平臺(tái)上設(shè)置膨脹層,在截面突變和近壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密，在邊界附近為六面體網(wǎng)格，而在其他區(qū)域則為四面體網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 管箱三維模型

圖2 管箱網(wǎng)格模型

1.2 數(shù)值模擬方法和邊界條件設(shè)置

對(duì)換熱器管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的模擬計(jì)算中，本文選取單相流體模型，流場(chǎng)內(nèi)流體為水，物性為常數(shù)，且為各向同性的均勻連續(xù)的介質(zhì)，穩(wěn)定流動(dòng)，進(jìn)口流速為4m/s，不考慮傳熱。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用SIMPLE算法求解，壓強(qiáng)速度耦合關(guān)系，壓強(qiáng)插值格式選用一階的PRESTO格式，進(jìn)口管、管箱和管板的壁面均采用無(wú)滑移邊界條件[6]。

2 換熱器管箱管板上流場(chǎng)分布模擬分析

目前在工程實(shí)際中，為了避免高速流體直接沖刷管子與管板，改善流體在管箱內(nèi)的分布，常采用防沖板結(jié)構(gòu)，對(duì)于改善流體分布不均勻性有一定的效果，但是流動(dòng)阻力很大。本文提出了一種開(kāi)式錐形導(dǎo)流筒，如圖3所示。一部分流體從中間的環(huán)形結(jié)構(gòu)直接流出，沿導(dǎo)流筒分散到管箱，一部分流體沿著傾斜的導(dǎo)流板向四周擴(kuò)散。為了了解加裝導(dǎo)流筒后進(jìn)口管箱內(nèi)流場(chǎng)分布情況，采用數(shù)值模擬的方法模擬了管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的分布，結(jié)果表明，錐形導(dǎo)流筒的位置和長(zhǎng)度對(duì)流場(chǎng)分布影響不大，但半錐角的大小對(duì)管箱流場(chǎng)分布的影響較大。本文選取錐形進(jìn)口截面為管箱面積的三分之一，半錐角為30°,45°，60°三種不同錐角的開(kāi)式導(dǎo)流筒的模擬結(jié)果與普通管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖3 導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)示意圖

為了更清楚顯示導(dǎo)流筒對(duì)流場(chǎng)的影響，我們將管板上流場(chǎng)分布云圖中流體質(zhì)點(diǎn)提取出來(lái)繪制成散點(diǎn)圖，從散點(diǎn)圖4的形狀可以清楚地看到，無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的管板中心處，低速段流體質(zhì)點(diǎn)分布少，大部分流體質(zhì)點(diǎn)都集中在中高速段，管板邊緣的流體質(zhì)點(diǎn)基本全部集中在低速段。圖5、圖6和圖7均為有導(dǎo)流筒時(shí)管箱內(nèi)流場(chǎng)分布的散點(diǎn)圖，對(duì)比圖4就可以發(fā)現(xiàn)，裝有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)，管板中心處低速流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)明顯增多了，而且整個(gè)低速的速度平均值提高了。對(duì)比三種不同的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以看出，60°和45°錐角平均速度高于30°錐角，但是60°半錐角導(dǎo)流筒流體在管板上分布更均勻。從流場(chǎng)散點(diǎn)分布圖來(lái)看，60°半錐角導(dǎo)流筒對(duì)流場(chǎng)的均勻性來(lái)說(shuō)效果最好。

圖4 無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管箱內(nèi)流場(chǎng)分布散點(diǎn)圖

圖5 30°半錐角導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管箱內(nèi)流場(chǎng)分布散點(diǎn)圖

為了讓流體質(zhì)點(diǎn)分布情況更直觀，更具體，我們按照速度區(qū)間分布和流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)，將流體質(zhì)點(diǎn)提取后繪制成餅狀圖，如圖8～圖11。從餅狀圖可以看出，加裝導(dǎo)流筒后，低速范圍內(nèi)( 0～0.5m/s)的流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)從百分之四十幾增加到了百分之六十幾，而速度為0～1m/s的流體質(zhì)點(diǎn)數(shù)從百分之二十幾降低到了百分之十幾，而速度為1～1.5m/s的流體量從百分之二十降低到百分之七左右，速度的均勻性明顯增加。但是餅狀圖對(duì)于不同半錐角的管箱而言差別并不大，主要原因在于其給出的是速度區(qū)間，不同的半錐角在不同的速度上質(zhì)點(diǎn)分布會(huì)有所不同，但是在某一速度區(qū)間內(nèi)其總的質(zhì)點(diǎn)數(shù)差別并不大。餅狀圖充分說(shuō)明了加裝導(dǎo)流筒對(duì)流場(chǎng)分布均勻性的影響是比較大的，管箱內(nèi)流場(chǎng)的均勻性增強(qiáng)和平均速度的提高，有利于提高整個(gè)換熱器的換熱效果。

圖6 45°導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管箱內(nèi)流場(chǎng)分布散點(diǎn)圖

圖7 60°導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管箱內(nèi)流場(chǎng)分布散點(diǎn)圖

圖8 無(wú)導(dǎo)流筒管板截面速度區(qū)間分布餅狀圖

圖9 30°導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管板截面速度區(qū)間分布餅狀圖

圖10 45°管板截面速度區(qū)間分布餅狀圖

圖11 60°導(dǎo)流結(jié)構(gòu)管板截面速度區(qū)間分布餅狀圖

3 換熱器管箱壓力場(chǎng)場(chǎng)數(shù)值模擬分析

當(dāng)流體更均勻的分布于管板上時(shí)，管板上壓力分布也會(huì)相對(duì)更均勻。從散點(diǎn)圖12的形狀可以清楚地看到，無(wú)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的管板中心處壓力從負(fù)壓到4000Pa左右都有分布，管板邊緣的壓力基本處于1000Pa左右，即管板不同部位壓力差較大。加入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)后，管板中心區(qū)域高壓流體的量明顯減少，而流體質(zhì)點(diǎn)壓力也在3000Pa以下，大部分流體質(zhì)點(diǎn)壓力位于1500Pa左右，也有一部分流體處于負(fù)壓狀態(tài)，管板邊緣的壓力基本還是處于1000Pa左右。整個(gè)管板上負(fù)壓流體的量和高壓流體的量都減少了，中低壓流體所占的比例增加，管板整體受壓趨于均勻。從圖13、14和15可以看出，導(dǎo)流筒半錐角的大小對(duì)壓力分布的影響不大。加裝導(dǎo)流筒明顯改善了管板的受力狀況，有效削弱了正對(duì)進(jìn)口管的管子與管板連接接頭流體的沖蝕作用，可延長(zhǎng)換熱器的使用壽命。

圖12 無(wú)導(dǎo)流筒管板截面壓力分布散點(diǎn)圖

圖13 30°導(dǎo)流筒管板截面的壓力分布散點(diǎn)圖

圖14 45°導(dǎo)流筒管板截面壓力分布散點(diǎn)圖 、

圖15 60°導(dǎo)流筒管板截面的壓力分布散點(diǎn)圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)管箱流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有導(dǎo)流筒時(shí)，高速流體主要集中在正對(duì)進(jìn)口管的射流區(qū)，該處也是壓力最高的地方，壓力高達(dá)4000Pa，而在管板周邊流體速度急劇下降，壓力降到0壓以下，管箱內(nèi)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布很不均勻。安裝了開(kāi)式錐形導(dǎo)流筒后，明顯改善了管板上流體速度和壓力的均勻性，其中加裝60°半錐角導(dǎo)流筒時(shí)流體在管板上分布更均勻，百分之六十幾的流體處于同一速度區(qū)間，半錐角的大小對(duì)壓力分布影響不大，但加裝導(dǎo)流通后壓力也從4000Pa降低到3000Pa以下。

[1] 賀俊杰，魏志輝.基于ANSYS-CFX的換熱器殼程流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016,26(1):9-11.

[2] 付 磊，曾焱林，唐克倫，等.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬[J].壓力容器，2012,29(5):36-41.

[3] 吳金星，魏新利.換熱器進(jìn)口管箱流場(chǎng)的數(shù)值分析與應(yīng)用[J].化工進(jìn)展，2003,22(6):89-91.

[4] 劉紅姣，王 欽，路 平，等.管殼式換熱器進(jìn)口管箱流場(chǎng)數(shù)值模擬分析[J].江漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2017,45(2):173-178.

[5] 段中喆.流體分析與工程實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015:17.

[6] 鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0 流體計(jì)算從入門到精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015:115.