折流挡板对管壳式换热器壳程流场影响的数值模拟

党明岩,方 毅

折流挡板对管壳式换热器壳程流场影响的数值模拟

党明岩,方 毅

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159)

应用ICEM和FLUENT软件，对管壳式换热器的壳程流场进行三维数值模拟，并研究折流挡板对其壳程流场的影响。结果表明:流体在换热器壳程内呈“Z”字形曲折流动；由于存在流动死区,折流板的流体出口侧会出现温度比周围温度高的区域；折流板的数量增加，使流体的湍流程度增加,流体的出口温度提高，换热器的传热效率提高；流体流过折流板时产生较大的压力降，且其流过折流板时所产生的压降大于在相邻两块折流板间流动所产生的压力降；进出口间的总压降随折流板数的增加而增加。

管壳式换热器；数值模拟；折流挡板；压降

换热器的作用是实现热量的传递，在化工、石油、动力等多个工业领域都有着极其广泛的应用[1]。改善换热器的结构以促使提高其换热性能，这对于节约能源、降低能耗、减少产品成本都有非常重要的现实意义。工业领域对换热器不断提出更多的要求，使得相关领域的研究人员对换热器的性能改进的关注程度也日益增加。以往单一的通过实验研究改进换热器的方法已显得效率低下，难以满足工业迅速发展的需求[2]。而运用计算机、数学模型和计算流体力学原理知识来进行实用性更强、计算效果更加准确的换热器壳程流场模拟已越来越得到认可和关注[3-5]。梅娜等人[6]用FLUENT软件对螺旋折流片式换热器的壳程进行了流场、温度场的数值模拟，结果表明螺旋折流片促进了近壁区流体和主区流体的质量传递和动量传递，较好地实现了强化传热的效果；刘敏珊等人[7]依据多孔介质计算模型和运用阻力经验公式，用FLUENT软件对单弓形折流板式换热器进行了壳程流场的三维数值模拟，并针对换热器存在的问题，提出了壳程流场的改进方案。

本文以单弓形折流板管壳式换热器作为研究对象，采用ICEM软件建立几何模型，并用FLUENT软件对其壳程流体的流动和传热进行三维数值模拟，通过改变折流挡板的数目和流体的进口速度，研究壳程流体的流动与传热特性，以期对管壳式换热器的设计及优化进行有益的探索。

1 模拟方案

对换热器的数值模拟过程主要包括前处理、求解计算、后处理三个阶段:前处理器ICEM主要是解决几何模型的建立和网格的划分，对于复杂的模型，可以进行合理的简化，使其在正确反映物理问题的基础上，能够加快求解计算，并保证收敛的稳定性和精度；求解计算阶段要把前处理器输出的.msh文件导入FLUENT里，并对模型进行网格检查，直至划分的网格适合计算求解，然后设置流体的物性参数，确定模型边界条件，并设置模拟计算的控制数，对流场初始化，进行求解计算；在后处理阶段，根据计算求解得出的结果以云图、轨线等形式展现出来，通过观察速度、温度和压力的云图、矢量图等，进行模拟结果分析。

2 物理模型

用ICEM软件建立管壳式换热器的几何模型，换热器的外观如图1所示，换热器的基本参数如表1所示。

图1 管壳式换热器几何模型

表1 换热器基本参数 mm

3 数学模型

3.1 求解方法

本文采用压力修正算法，即 SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equation)。SIMPLE 算法是解压力耦合方程的一种半隐式流场计算方法，是目前工程上应用较为广泛的一种方法。该方法的求解思路如下:

首先，假定压力场，并通过求解离散形式的动量方程而得出速度场。但由于是假定的压力场，所得出的速度场通常不一定满足连续性方程，所以应该对假定的压力场进行修正，以使修正后的压力场所相对应的速度场能满足这一迭代层次上的连续方程。为此，将由动量方程的离散形式而得出的压力与速度的关系式代入到连续方程的离散形式中，即得到压力修正方程，进而再根据压力修正方程得到压力修正值等。根据修正后的压力场，可计算得出新的速度场。若新的速度场不收敛，则反复计算，直至速度场收敛。

计算过程中采用的主要相关方程为[8]

连续性方程:

(1)

动量守恒方程:

(2)

(3)

(4)

3.2 网格划分

换热器的整个区域的网格类型可划分为四面体非结构网格，如图2、图3所示。网格总数为139万，其中最小网格体积为6.27×10-10m3，最大网格体积为1.71×10-7m3，网格空间总体积为4.46×10-2m3。

图2 网格划分整体图

3.3 边界条件

(1)in(入口)条件设置:Momentum动量设置入口的进口速度为1m/s，Turbulence项的Specifi-cation Method中选择Intensity And Hydraulic Diameter设置水力学直径为接管内径0.05m， Thermal热量设置流体进口温度为290K。

(2)out(出口)条件设置: 在Outflow中确定流出物比重为1。

图3 网格局部图

(3)guanbi(换热管壁面)条件设置:在Temperture中设置管壁温度为320K，其他项均保持默认。

4 模拟结果与讨论

4.1 温度场

换热器折流挡板数分别为4、6和8时，内部流场整体温度云图如图4所示。

图4 换热器内部流场温度云图

从图4中总体可以看出，换热器壳体内部流场整体温度分布极其不均匀，温度沿换热器壳体内部流体流动方向逐渐升高。从图4中不同折流挡板数的温度云图的区别中还可以看出，随着折流挡板数的增加，换热器壳体内部的升温幅度逐渐增大，折流板越多，出口流体的温度越高。另外，由三个内部流场整体温度云图可以较明显地观察到，温度并非沿着流体流动方向均匀升高，而是在折流板的流体出口侧的较小区域内出现了温度比周围温度高的现象，这可能是由于在该区域处由于存在流动死区而影响热量传递。这一结果与相关传热学原理中所描述的现象也是相符的。

4.2 压力场

换热器折流挡板分别为4、6和8时，内部流场整体压力云图如图5所示。

图5 换热器内部流场压力云图

从图5中可见，在流体流过每一折流板时，会产生较为明显的压力降。流体流过折流板时所产生的压降比流体在相邻两块折流板间流动时所产生的压力降更大。从不同折流板数的压力云图的对比可以看出，流体在换热器进出口间的总压降随着折流板数的增加而增加，这与对折流板增加后压降的变化预分析结果一致。

4.3 质点轨线

折流挡板数分别为4、6和8时的质点轨线如图6所示。

图6 内部流场质点轨线图

从图6中可以看出换热器壳程流体的大致流动走向，在折流挡板的作用下，流体在换热器壳程内呈“Z”字形进行曲折流动，并且由图6a、6b、6c可以明显看出折流板的具体位置和数量。折流挡板数目越多，流体流动越曲折，可见折流挡板的安装使冷热流体有了更充分的接触，实现了传热效率的提高。

5 结论

采用FLUENT软件，运用标准的K-e湍流模型对管壳式换热器的壳程流场进行了三维数值模拟得到了以下结论:

(1)在折流板的流体出口侧会出现温度比周围温度高的区域，说明存在流动死区。

(2)折流板越多，出口流体的温度越高，换热器的传热效率越高。

(3)流过折流板时所产生的压降要比在相邻两块折流板间流动所产生的压降大；折流板越多，换热器的压降越大。

(4)根据流体质点轨线图可以清楚地看出流体的大致流动特征，并发现折流挡板使冷热流体有更充分的热接触。

[1]董其伍,刘敏珊,苏立建.管壳式换热器研究进展[J].化工和设备与管道,2006,43(6):18-22.

[2]李进良,李承曦,胡仁喜.精通FLUENT6.3流场分析[M].北京:化学工业出版社,2010:1-10.

[3]谢洪虎,江楠.管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟[J].化学工程,2009,37(9):9-12.

[4]Anika Singh,Anubhav Pratap Singh,Hosahalli S Ramaswamy,et al.Computational techniques used in heat transfer studies on canned liquidparticulate mixtures[J].Food science and technology,2015,43(1):83-103.

[5]Ayoola T Brimmo,Mohamed I Hassan,Youssef Shatilla.Transient heat transfer computational model for the stopped aluminium reduction pot e Cooling techniques evaluation[J].Applied Thermal Engineering,2014,73(1):116-127.

[6]梅娜,陈亚平,施明恒.螺旋折流片换热器壳侧传热与流动的数值模拟[J].工程热物理学报,2005,3,26(2):310-312.

[7]刘敏珊,刘乾,董其伍.折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化[J].化工设备与管道,2006,43(2):24-27.

[8]张建文,杨振亚,张政.流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用[M].北京:化工工业出版社,2008:15-24

(责任编辑:马金发)

Flow Field Numerical Simulation of Effect of the Baffle on the Shell Side of Shell-and-tube Heat Exchanger

DANG Mingyan,FANG Yi

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Numerical simulation of the flow field in shell-and-tube heat exchanger shell was investigated using the commercial software ICEM and FLUENT by changing the number of baffles.Results indicate that fluid flows through“Z”path in the shell;the temperature of the area next to the baffle and close to the outlet appears higher than the other area,which is due to the existing of flow died district;the more baffles,the more intense the turbulence degree of export fluid is,the higher the temperature is,and the higher the heat transfer efficiency;fluid has larger pressure drop when flowing through the baffle,and the pressure drop of flowing through the baffle is higher than that of flowing between the two baffles;the total pressure drop between the inlet and outlet increases with the increasing of the number of the baffles.

shell-and-tube heat exchanger；numerical simulation；baffle plate；pressure drop

2015-12-10

党明岩(1975—)，女，副教授，博士，研究方向:化工过程模拟。

1003-1251(2017)01-0017-04

O35

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