管壳式换热器壳程特性数值模拟
管壳式换热器管内流动的数值模拟及试验研究
和 ｓ 湍流模型进行模拟计算 ，得到 了有代表性 的管 内流速分布及其 相关 结果 。通过添加均流板 以及 开孔布 置和尺寸的优化 ，使管 内流速分布的均匀性得到改善。
关 键 词 ： 管 壳式 换 热 器 数值 模 拟 试 验 研 究
随着 国内房地 产业 的迅速 发展 ，全 国上市 的商 品房数 量不 断增加 ，民用供热 的市场 化及 人们对 优 质舒适 生活 的追求 ，都 为冷凝 式燃 气壁挂 炉提供 了 巨大 的市场发 展空 间 。 从 业界发 展趋势 来看 ，开 发利用冷 凝 式燃气 壁
管 壳式潜 热换热 器 的管 内水 流均匀 性 问题 ，是
管 壳式换 热器运 用于 燃气热 水器 的关键 问题之 一 ， 因为水流 不均匀 将导 致局部 空烧 而烧坏 换热器 。本 文 采 用 在换 热 器 的进 出 口分 别布 置 均 流 板 的 方法 以达 到水 流均衡 ，并通过 数值模 拟和 实际试验 来解 决均 流板 的开孔 布置 问题 。应用 Ｆｕ ｎ 软件 ，建立 ｌｅ ｔ 管壳 式换热 器通 道 的三 维 四面 体 网格模 型和 ｋ￡湍 － 流模 型 ，获得 了有代表 性 的管 内流 速分 布和相 关计
文采 用 Ｃ Ｄ 的商用软件 Ｆｕ ｎ 对 管壳式 换热器进 Ｆ ｌｅ ｔ
补 充形式 。但 是烟 气 中的水蒸 气冷凝 成水 时 ，与烟
行数 值模拟 。建立 流体 的质量 方程 和动量 方程 ，引 入适 合处理 低雷诺 数和 近壁 流动 的 Ｒ － 模型方 ＮＧ ｋ￡
气 中的酸性 气体 反应 ，从而腐 蚀尾 部受热 面 ，这是
（） ３ 设置边 界 条件
进 出口接 管直 径／ ｍｍ
３ ０
进 出 口接 管 长度／ ｍｍ
管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟
管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟摘要：为了研究纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体湍流流动与换热的工作机理,文中利用FLUENT软件,在壳程流体流速设定值不断改变的情况下,对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与换热进行了三维数值模拟。
得到了多螺旋流管壳式换热器在不同的壳程流体流速下的温度场、速度场、质点迹线图、壳程传热膜系数分布图等。
根据模拟得到的结果,从多个方面对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程湍流流动与强化传热进行了探讨。
模拟结果与实验结果进行了比较,二者误差约在±11%以内,吻合良好。
关键词：螺旋扭片;纵向多螺旋流管壳式换热器;三维数值模拟中图分类号：TK 124文献标识码：A文章编号：1005-9954(2009)09-0009-04应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场,最早是在1974年提出,但由于当时受到计算机与计算流体力学条件的限制,研究进展缓慢[1]。
20世纪80年代以来,换热器数值模拟研究才有了较快的开展。
对于国内外换热器数值模拟研究,采用二维研究的较多[2]。
三维研究方面, 国内外学者也做了很多工作,特别是对复杂结构的管壳式换热器换热性能数值模拟研究,国外较多学者采用复杂结构的换热管或者管程内插物来模拟研究其对流体流动与换热的影响,例如:螺旋槽管、波纹管、内插螺旋纽带等。
然而,国外和国内的学者很少有人用数值模拟的方法去研究插入物插入管壳式换热器壳程而不是管程时其对换热器综合换热性能的影响。
壳程换热管之间插入螺旋扭片,螺旋扭片的插入可以有效地改变壳程流体的流动形式,使壳程流体产生多股自螺旋流的复杂流动形态[3],有效提高换热管束壁面的流体速度,实现不同壳体半径处流体的充分混合,从而达到强化传热的目的。
本文利用FLUENT软件对这种新型纵向多螺旋流管壳式换热器的壳程湍流流动及换热进行了三维数值模拟,根据模拟结果并对这种利用螺旋扭片强化换热器壳程流体换热的机理进行了有益的探讨。
管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究
管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究一、本文概述本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程。
管壳式换热器作为一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、能源、环保等多个领域。
在实际应用中，壳侧气液两相流动和传热过程的复杂性往往导致设计优化和运行控制的困难。
本文的研究对于提高管壳式换热器的性能，提升工业生产效率具有重要的理论和实践价值。
在数值模拟研究中，我们将首先建立管壳式换热器的数学模型，考虑壳侧气液两相流动的流动特性、传热过程、相间作用等因素，利用计算流体力学（CFD）等先进方法，进行求解和模拟。
通过对比实验结果，验证数学模型的准确性和可靠性。
在此基础上，我们将对管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热过程进行深入分析，探讨不同操作条件、结构参数对流动和传热性能的影响，揭示其中的流动和传热机理。
同时，我们还将探索优化设计方案，提高换热器的传热效率和稳定性，为实际工业应用提供有益的参考和指导。
本文将通过数值模拟的方法，全面研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程，为换热器的设计优化和运行控制提供理论支持和实践指导。
二、管壳式换热器的结构与工作原理管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、石油、能源、制冷等工业领域。
其基本结构由管束、壳体和管板等几部分组成。
管束由多根管子平行排列组成，管子内部为流体通道，用于传递热量。
壳体则包围在管束外部，形成一个封闭的空间，壳体内也有流体流动，与管内的流体进行热量交换。
管板则起到固定管束和密封的作用，同时也作为流体进出口的连接部分。
管壳式换热器的工作原理基于热传导和对流传热两种基本传热方式。
当两种不同温度的流体分别流过管内和管外时，由于温度差异，热量会从高温流体传递到低温流体。
管内流体通过对流传热将热量传递给管壁，然后通过热传导方式将热量传递给管外流体，最终实现两种流体之间的热量交换。
在管壳式换热器中，流体的流动状态对传热效果有重要影响。
管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟分析
管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟分析作者：***来源：《机电信息》2020年第14期摘要：传统的管壳式换热器壳侧流体流动特性分析方法计算得出的凝结水流量等参数与实际相差较大，为此提出了一种新的管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法。
建立数值模拟模型，定义壳侧流体流动边界条件，通过对壳侧流体流动情况的计算求解，得出数值模拟分析结果。
实验结果表明：该方法分析得出的凝结水流量明显比传统方法更接近实际情况，准确性更高。
关键词：管壳式换热器;壳侧流体;流动特性;数值模拟0 引言管壳式换热器是为了满足长期处于高压环境中的电厂、锅炉厂等大型换热器运行需求而研发生产的。
为了进一步提高传统管壳式换热器的工作效率，在传统管壳式换热器结构基础上，强化了用于传热的挡板结构，有效提高了传热效果[1]。
本文针对传统管壳式换热器壳侧流体流动特性分析方法计算得出的凝结水流量等参数与实际相差较大，不满足电厂、锅炉厂等大型换热器检验维修标准的问题，对管壳式换热器壳侧流体流动特性数值进行了模拟分析。
1 管壳式换热器壳侧流体流动特性数值模拟方法设计1.1 建立管壳式换热器壳侧流体流动数值模拟模型对需要进行数值模拟分析的研究对象——管壳式换热器进行前处理，根据数值模拟对象的实际参数，建立如图1所示的管壳式换热器数值模拟模型。
本文采用流体力学模拟基础软件，结合其强大的网格规划功能，将建立的管壳式换热器数值模拟模型直接引入到流体力学模拟基础软件中，并对其进行网格划分。
本文采用分块划分网格的方法，首先对上文建立的模型上端和下端出口进行划分，并对其他各个结构分别划分网格，再对划出后的网格分别进行划分[2]。
采用混合网格方式的四面体和金字塔网格对管壳式换热器数值模拟模型各个结构的网格进行划分，考虑到对后续模拟计算速度的影响，本文對上端和下端接口采用六面体网格对其壳侧划分成如图2所示的网格模型。
本文选用分离隐式求解器，选择混合物模型作为流体流动的计算模型，并考虑相同的速度滑移。
管壳式换热器管壳程流场及温度场分布的数值模拟研究
摘要换热器是一种为实现热量交换 Nhomakorabea诞生的设备，在众多的领域都应用广泛。换热器换热效率的高低直接影响着企业的经济效益与生产效益，所以研究管壳式换热器的流动与传热更有利于提高换热器的换热效率。
本文对管壳式换热器内部管程和壳程流体的流场与温度场进行数值模拟。以管壳式换热器管程和壳程的热量交换过程，建立管壳式换热器的三维模型，模拟管壳式换热器在换热过程中的流场和温度场，分析失效对换热器内流场和温度场的影响，同时结合实测数据进行分析。
关键词：管壳式换热器，FLUENT 软件，数值模拟，流场，温度场
Numerical simulationon temperature field of tube and shell in shell and tube heat exchanger
ABSTRACT
Heat exchanger device as a realization of heat exchange in many industrial areas are widely used. Heat transfer efficiency directly affects the production efficiency, the study of shell and tube heat exchanger flow and heat transfer it is very important.
根据对管壳式换热器内模拟温度场和流场的结果，发现在靠近管壳式换热器壳程换热管的温度出现了较大的波动，这是因为这个部位的换热管受到壳程流体的集中冲刷。换热管中流体流速分布不均匀，因此引起了换热管内温度分布的不均匀，这会使换热器内部产生较大的热应力，导致管板和换热器管壳程连接失效。
管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟
毕业设计（论文）管壳式换热器的建模、换热计算和CFD模拟专业年级2007级热能与动力工程专业学号姓名******** 杨郭指导教师刘巍评阅人刘庆君二零一一年六月中国南京任务书课题名称：管壳式换热器的建模、换热计算与CFD模拟课题类型：毕业论文任务书内容:1、英文资料的翻译5千个汉字字符以上（要求和热动、空调、能源、环境、新能源等本专业有关的内容，可以是英文著作、设备使用手册、英文文献检索、英文专利文献、网上专题介绍等实用性的、将来工作中可遇到的相关题材的文章，最好不要是科普类、教学类的英文）2、使用的原始资料（数据）及设计技术要求：2.1.管壳式换热器，热交换功率100kW，200kW。
2.2.温度进口350~500℃，出口温度150~200℃，流速可变；温度进口100~150℃，出口温度300~450℃，流速可变。
其总流阻损失应在满足规定要求。
2.3.换热器材料可选，几何尺寸可变；工作介质可选择（空气、水、氟利昂） 2.4.换热器外壁面绝热保温； 2.5.采用CFD模拟计算与能量分析，对系统进行相关工况的模拟；3、设计内容：3.1. 学习和消化设计任务书，按照设计任务书的设计内容，拟定工作内容和计划，拟定出设计和计算的每个过程中应该遵循设计要求与规定。
3.2.查找和收集有关管壳式换热器的历史和现状资料，查找相关管壳式换热器的运用案例，及其相关的技术条件和运行要求。
3.3.以科技文献检索，包括期刊、专利、设计标准、产品标准、设计手册、产品样本，寻找和熟悉相关的分析计算软件；熟悉设计工具软件、电脑等；3.4.根据已知参数，用ProE设计出符合要求的管壳式换热器，并学习如何导入相关软件进行网格设计；3.5.进行管壳式换热器CFD网格设计，用fluent软件对管壳式换热器进行变工况运行能量分析；3.5.分析计算换热器的流阻损失，其结果的合理性，分析提高换热效率主要手段和改进的方向。
3.6.输出的计算文件包括：3.6.1.完整的毕业设计任务书3.6.2.符合要求的算模型的结构、尺寸； 3.6.3.换热计算的过程、表格，计算结果的结论等等； 3.6.4.规定状态的CFD模拟结果和能量分析图； 3.6.5.毕业设计论文； 3.7.把所作的工作、学习的体会、方案的选择过程、计算方案过程等写在过程手册中，写好毕业设计论文。
管壳式换热器设计方法与数值模拟研究
管壳式换热器设计方法与数值模拟研究English:The design method of shell and tube heat exchangers is a crucial aspect in the field of heat transfer engineering. In the design process, several factors need to be considered such as the operating conditions, material selection, fluid properties, and heat transfer coefficients. The first step in the design is to determine the heat duty and the required heat transfer area, followed by the selection of the type of shell and tube arrangement. This is followed by the determination of the tube diameter, tube layout, and the baffle spacing. Additionally, the design needs to account for issues like thermal expansion, tube vibration, and fouling on the tube side. Once the design is finalized, it is important to conduct numerical simulations to validate the design and performance under different operating conditions. Computational fluid dynamics (CFD) simulations can be used to analyze the flow distribution, pressure drop, and heat transfer characteristics within the heat exchanger. Moreover, finite element analysis (FEA) can be employed to assess the structural integrity and thermal stresses within the heatexchanger. These numerical simulations help in optimizing the design to meet the required performance and reliability.Translated content:管壳式换热器的设计方法是热传递工程领域的关键方面。
管罩式热交换器中流体流动特性的数值模拟分析
管罩式热交换器中流体流动特性的数值模拟分析管罩式热交换器是一种常见的热传递设备，广泛应用于化工、制药、食品加工等工业领域。
研究管罩式热交换器中流体流动特性的数值模拟分析，对于优化热交换器的设计和提高热传递效率具有重要意义。
本文将从流体流动的模拟方法、管罩式热交换器的流动特性，以及相关实验研究等方面进行分析和探讨。
首先，数值模拟是研究管罩式热交换器中流体流动特性的重要方法之一。
通过建立数学模型和对流动方程进行离散化，可以使用计算流体力学（CFD）软件对热交换器内的流体流动进行数值模拟。
在进行数值模拟时，需要考虑流体的物理特性、边界条件以及网格划分等因素，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
其次，管罩式热交换器的流动特性是热传递效率的重要影响因素之一。
在热交换器内部，流体通过管道流动，并与外部传热介质进行热量交换。
流体的流动方式和速度分布对于热传递效率具有重要影响。
常见的流动方式包括层流和湍流，而流体的速度分布通常为非均匀的。
此外，流体的温度分布也会随着流动而发生变化，这对于传热过程的效果产生重要影响。
为了更好地理解管罩式热交换器中的流体流动特性，研究者进行了大量的实验研究。
这些实验通常包括流速的测量、压降的测量以及温度场的测量等。
通过实验数据的采集和分析，可以获得流体在热交换器内的流动特性，并为数值模拟提供参考。
此外，还可以通过实验来验证数值模拟的结果，并对模型的准确性进行评估。
在进行数值模拟分析时，需要选择合适的数值模型和求解方法。
对于管罩式热交换器中的流体流动来说，最常用的数值模型是雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型。
该模型假设流体是连续均匀的，并通过求解雷诺平均流动方程来描述平均值。
在求解过程中，常用的求解方法包括有限体积法、有限差分法和有限元法等。
在数值模拟的过程中，还需要进行网格划分和边界条件设置。
网格划分对模拟结果的准确性和计算效率起着重要作用。
一般而言，采用结构化网格或非结构化网格都可以进行数值模拟，但需要根据具体情况选择合适的方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1 理论基础
对于具有周期性结构特征的模型, 周期性充分 发展区域具有以下特征 [ 7] :
出口段对壳程流体流动和传热周期性充分发展段的影 响长度 不随壳 程流体 性质、流动速 度的变 化而变化; 随 着折
流板间距与筒体内径的比值增大而增大.
关键词: 管壳式换热器; 数值模拟; 进出 口段; 充分发展段
中图分类号: TK 172
文献标志码: A
文章编号: 1671- 7627( 2009) 05- 0052- 06
为了验证本文模型计算结果的正确性, 利用现 有的实验条件进行换热器的传热性能实验, 根据实 验模型换热器的结构尺寸建立整体模型, 依照实验 操作条件, 对整体模型进行数值模拟, 将模拟结果与 实验结果进行对比, 结果如表 2所示.
表 2 实 验值与模拟值比较 T able 2 Compa rison results between num erica l simulation and experimen ts
周期的努塞尔数 Nu 都相等.
N u = de = const
( 5)
式中: 为换热系数; de 为当量直径; 为流体导热系数.
= Q = cpm (T i - T o ) = cpm ln T i - Tw = const
A Tm A T i - T o
A T o - Tw
lnT i - Tw
T o - Tw
第 5期
王 丹等: 管壳式换热器壳程特性数值模拟
53
地促进了换热器技术的深入研究和新型换热设备的 开发应用.
在管壳式 换热 器数 值模 拟研究 方面, 国 内 外 学者对于管壳式换热器壳 程的研究所采用的数 值 模拟模型大多依然采用英国学者 Pa tankar和 Spa-l d ing 于上世纪 70年代提出的 多孔介质模型 [ 1 ] , 随 后又出 现了周 期性 模型 [ 2- 5 ] 、实体 模型 [ 6 ] 等 模 拟 方法, 但是这些方法都有一定的局限性.
A bstract: Num erical simu lations for the she l-l and-tube hea t exchanger w ere carr ied ou t using the physical m odel w ith the CFD ( com putationa l flu id dynam ics) so ftw are FLUENT. T he characterist ics o f the fluid flow and the heat transfer in the shell side under d ifferent condit ions w ere ana lyzed. T he three m a in characterist ics such as pressure grad ien,t d im ensionless tem perature and ve loc ity w ere selected to ascertain the length o f period ic fully developed section o f the shel-l and- tube heat exchanger. Som e in fluence factors including flu id m ed ium, flu id velocity in the shell side, and baffle pitch w ere ana lyzed. T he affect ing length of the in let section and the ou tlet section on the fluid flow and the heat transfer is independent from the flu id physica l propert ies, the fluid velocity in the shell side increases w ith the increase of the ratio of the baffle pitch to the distance of the inner d iam eter o f the shel.l K ey words: shel-l and- tube heat exchanger; num erica l simu lation; in let section and outlet section; fully developed section
于管壳式换热器壳程的流体流动与传热性能进行数 值模拟 研究. 利用判 断周期性 充分发 展段的 3个主要 特征, 分
别从压力差、无因次温度、速度 3个方面, 分析具有不同流体 速度、不同流体介质、不同折 流板间距 时几种折流 板管
壳式换热器模型的进出口段对于壳程流体流动与传热性能的影响. 结果表明, 管 壳式换热器 结构一定 的情况下, 进
第 31卷第 5期 2009年 9月
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) JOU RNAL OF NAN JING UN IVER SITY OF TECHNOLOGY ( N a tura l Sc ience Ed ition)
do :i 10. 3969 / .j issn. 1671- 7627. 2009. 05. 011
898
0 06 - 26 97
3
10 0
388 15 1 055 388 90
737
0 19 - 30 18
u ( r) = u ( r + L ) = u ( r + 2L ) =
( 1)
v ( r) = v( r + L ) = v( r + 2L ) =
( 2)
w ( r) = w ( r + L ) = w ( r + 2L ) =
( 3)
式中: r为流体质点位置矢量; L 为周期段长度矢量;
u、v、w 分别是 x、y、z 3个方向的速度.
图 1 模型网格图 F ig. 1 M eshes o f num erical sim ulation model
2 3 边界条件设定 本文模型中的流体流动均在湍流状态下, 因此在
计算过程中采用离散求解器和 k - 湍流模型, 打开 能量方程. 壳程流体采用速度进口, 流体初始温度为 288 K; 换热管管壁设为恒壁温 383 K; 壳体壁面、接管 壁面、各折流板面、两侧管板均设为绝热面边界条件; 本模型操作条件为标准大气压, 将出口设定为压力值 为 0 P a( 表压 ) 的压 力出 口. 压力 和速度 耦合采 用 S IMPLE算法, 动量和能量方程离散采用二阶迎风差 分格式. 采用标准化残差的形式来判断计算方程的收 敛性, 残差精度分别取: 连续性方程、动量方程及 k、 方程残差均为 10- 3, 能量方程残差为 10- 6 [ 11] . 2 4 模型验证
筒径内径 / mm
筒体长度 / mm
换热管外径 / mm
折流板间距 / mm
折流板高度 / mm
50
1 47
9 34
19
75
11 1
100
54
南 京 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )
第 31卷
2 2 网格划分 由于模型是轴对称结构, 因此为了减少总网格
数量、提高计算速度, 从模型的轴对称面处截开, 取 一半的模型进行模拟计算, 截面采用对称面边界条 件即可. 根据本模型的结构特点, 计算区域采用分块 划分、结构化和非结构化网格相结合的方式进行网 格划分, 模型网格图如图 1所示. 对于同一个模型, 在边界条件相同的情况下, 对网格划分进行考核, 对 现采用的网格进行加密, 比较加密网格后和加密网 格前所计算的壳程压降及温度变化结果, 确保所得 计算结果是网格独立的解.
收稿日期: 2009- 05 - 03 基金项目: 河南省杰出人才创新基金项目 ( 0621001600 ) 作者简介: 王 丹 ( 1983 ) , 女, 河南安阳人, 博士生, 主要研究方向为过程传热与节能技术; 董其伍 ( 联系人 ), 教授, E-mai:l qwdong@ zzu. edu. cn.
V o.l 31 N o. 5 Sep. 2009
管壳式换热器壳程特性数值模拟
王 丹, 董其伍, 刘敏珊
(郑州大学 河南省过程传热与节能重点实验室, 河南 郑州 450002)
摘 要: 通过合理简化, 建立管壳式换热器的实体模型, 用大型 CFD ( computational flu id dynam ics)软件 FLU ENT 对
定管壳式换热器进出口段对于壳程流体流动和传热
特性的影响长度.
2 模型的建立
2 1 模型的简化 根据管壳式换热器经典设计准则 [ 8 - 9 ] , 本文模
型的主要结构尺寸如表 1所示.
流体 介质
水/ 空气
流体 Re /104
05 10 15 20
表 1 模型几何结构尺寸、流体介质及 R e T able 1 G eom etrical parameters
换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、 制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通 用设备. 管壳式换热器具有制造简单、维护方便、适 应性强、处理量大、工作可靠、能适应高温高压等优
点, 是目前国内外换热设备的主要结构形式. 随着计 算机的飞速发展, 以计算机仿真模拟技术、先进流体 测量技术等为代表的现代研究设计方法, 已经成为 传热研究中观察显示物理特性的强有力工具, 极大