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折流杆换热器数性能的整体数值模拟新方法
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折流杆换热器数性能的整体数值模拟新方法

郭崇志,梁泉水

(华南理工大学,广东广州510640)

摘要:为了实现对换热器性能的整体数值模拟,阐述了一种“分段模拟,整体综合”的管壳式换热器数值模拟新方法,其核心思想是在对换热器的几何结构及其流道的流体力学和传热特性进行定性分析和结构分类的基础上,对换热器内部流道分段,建立典型流道的完整实体三维模型和网格模型,并且建立分段模型之间的数据联系方案,最后将数值模拟得出的局部数据进行综合处理。

关键词:折流杆换热器;分段建模;数值模拟

中图分类号:TK174 文献标识码:A 文章编号:1000—6613(2007)08—1198—04

利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一【1】,由于结构和流道复杂,导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有很大的困难【2】。目前公开发表的论文对换热器性能的研究,大多利用局部模型进行,即所谓单元流道方法[3-5]或局部分析的方法。但是利用三维实体模型对换热器整体性能进行计算分析的很少见到,即使采用三维实体模型分析,大多数研究者仅限于研究小尺度的简化模型换热器的三维整体实体模型性能研究【6-8】。本文针对目前的现状以及为了实现大型管壳式换热器的整体性能的模拟计算,在对换热器结构及其流道性能进行评估的基础上,提出了分段建模、分段分网、分段模拟、最后综合的数值模拟研究思路【9】。为了验证这种计算方法的合理性,在对某作为计算对象的换热器的结构进行合理简化的基础上,分段建立了该换热器

壳程结构的三维实体几何模型和网格模型,利用计算流体力学软件Fluent,对所建分段模型定义分段之间的连接模式后,进行了换热器的分段模型数值模拟,得到了相关的局部参数分布,最后将局部参数的结果进行综合处理得到了整体换热器的主要性能参数表达式。

1.分段建模

对于管壳式换热器而言,壳程流体力学与传热性能的计算最为困难,也最为人们所关注。一般管壳式换热器的结构虽然复杂,但是从流体力学与传热的角度以及结构特点看,壳程结构主要可以分成进口段、出口段以及具有周期性重复结构的中间段 。图1给出了具有壳程端部导流结构的单程折流杆换热器。从图1中可见,如果假定进口段接管与出口段接管尺寸相同,端部结构相同,则进口段与出口段的模型可以视为相同,区别仅仅在于流体流动的方向以及各段的进口参数和出口参数不同。因此,从分段建模的角度看,对于这种换热器,只要改变进出口的流体热物理性能参数,即可利用相同几何模型进行计算。对于具有周期重复的结构,分段建模技术只需要从众多的重复结构中提取典型的一段。
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