套管换热器湍流对流换热的数值模拟
套管式换热器波纹管的数值模拟及结构参数优化(正交试验)
第 40 卷
第1 期
化
工
机
械
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试验中各组别要求的调整结构参数得到相应的几 何模型， 随后采用相同的方法进行网格划分和数 节省计算周期。 值计算。这样可避免重复性工作， 4。 正交试验设计及试验结果分别见表 3 、 表3
试验号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A 1 1 1 2 2 2 3 3 3 B 1 2 3 1 2 3 1 2 3
边界条件设置
将外管和波纹管设定为固体域， 管内和环隙 空间的流体流动区域设定为流体域 。管内和环隙 空间均为高压水， 逆流运行， 热流体走管内， 冷流 体走环隙。 出入口条件： 内管和外管流体入口采用质量 入口边界， 内管和外管流体出口采用压力出口边 界， 四分之一圆周的两个平面采用对称边界条件 。 20mm。 出 湍流强度为 5% ， 水力直径分别为 51 、 入口边界条件设定见表 1 。
［6 ］
。
。 图1 2 2． 1 波纹管结构示意图
如何根据换热器的实际结构合理选择波纹管的结 构参数， 以达到传热和阻力损失之间的平衡 ， 是波 纹管设计中的难点问题。 笔者以油田注汽锅炉套管换热器的优化设计 为例， 建立波纹管套管换热器传热的数值模型 ， 并 根据正交试验设计的原理研究了波纹管结构参数 对其换热和阻力的影响规律， 根据对评价指标的 综合评定， 得到了最优的波纹管结构参数。 为验 证最终优选的波纹管性能的优劣， 对其进行了数 值模拟。 1 波纹管基本的结构参数 波纹管管壁上依次交替出现的波峰和波谷， 导致流道中流体的速度和压力周期性变化 ， 变化
动量方程：
1973 年 9 月生， 163318 。 谭秀娟， 女， 硕士研究生。黑龙江省大庆市，
78
p τ ij （ ρu i u j ） = － + x x i x j j
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。
管内湍流的数值模拟
管内湍流的数值模拟摘要：当Reynolds数大于临界值时，平滑流动会出现一系列复杂的变化，最终会导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态，这种状态称为湍流。
计算流体力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。
本文以湍流管流模型为例，借助Fluent软件进行空气动力学分析，对该管内湍流流动进行模拟。
关键词：计算流体力学；Fluent；管内湍流；数值模拟1 引言流体试验表明，当Reynolds数大于临界值时，平滑流动会出现一系列复杂的变化，最终会导致流动特征的本质变化，流动呈无序的混乱状态。
这时，即使是边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等流动特性都随机变化，这种状态称为湍流。
随着高速电子计算机的出现，数值模拟越来越多地应用于流场的模拟。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ,简称为CFD)就是其中一种有效的研究流体动力学的数值模拟方法，它是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析；是基于计算机技术的一种数值计算工具, 用于求解流体的流动和传热问题。
它能够描述几何体边界的复杂的流动现象，能够在设计的初期快速地评价设计并做出修改；在设计的中期，用来研究设计变化对流动的影响，减少未预料到的负面影响；设计完成后，CFD提供各种数据和图像，证实设计目的。
CFD大大减少了费用、时间以及新设计带来的风险。
近年来，CFD越来越多地应用于翼型设计和流场的分析中，成为一种重要的设计和计算方法。
Fluent软件是用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件。
它用于计算计算流体流动和传热问题的软件，其应用的范围有一般流体的流场、自由表面的问题、紊流、非牛顿流流场、化学反应等。
Fluent提供了灵活的网格特性，用户可以方便的使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。
管壳式换热器流场温度模拟
管壳式换热器流场温度模拟管壳式换热器是一种常见的换热设备，广泛应用于工业生产过程中。
在管壳式换热器中，热介质通过管道流动，与外部的冷却剂进行换热。
为了提高换热效率，需要对其流场和温度分布进行模拟分析。
在管壳式换热器中，管道和壳体之间形成一个流动通道，热介质在管道中流动，冷却剂在壳体中流动。
通过管道壁的传热，热量从热介质转移到冷却剂。
流场和温度分布对换热器的性能有着重要的影响。
流场的模拟可以使用流体动力学（CFD）方法，通过求解连续流体力学方程来描述流体的运动。
CFD方法可以对管道中的流动速度、压力以及湍流情况进行模拟，从而分析流体在换热器中的流动特性。
CFD方法还可以得到流场中的温度分布情况。
在进行流场模拟时，需要对流体的运动和传热过程进行数值计算。
根据连续流体力学方程，可以得到流体的质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程。
通过对这些方程进行求解，可以得到流体的速度分布、压力分布以及温度分布。
为了进行流场和温度的模拟，还需要确定边界条件和物理参数。
边界条件包括进口速度、出口压力和管道壁面的传热边界条件。
物理参数包括流体的密度、粘度和传热系数。
通过合理选择这些参数，可以对管壳式换热器的流场和温度分布进行准确模拟。
在模拟分析中，可以通过改变进口速度、出口压力和管道壁面的传热边界条件来研究影响流场和温度分布的因素。
通过模拟得到的流场和温度分布，可以分析换热器的性能，并优化设计。
管壳式换热器流场和温度的模拟分析对于提高换热器的效率和性能具有重要意义。
通过CFD方法，可以实现对流场和温度分布的准确模拟和分析，为优化换热器设计提供理论依据。
数值传热学第九章
第 九章 湍流流动与换热的数值模拟
主讲
西安交通大学能源与动力工程学院 热流中心 CFD-NHT-EHT CENTER
2010年11月10日, 西安
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第9章 湍流流动与换热的数值模拟 9.1 湍流现象概述 9.2 不可压缩流体对流换热湍流时均方程 9.3 零方程模型与一方程模型 9.4 两方程模型 9.5 壁面函数法 9.6 低Reynolds数k-epsilon 模型 9.7 强制对流湍流模型的近期发展简述 9.8 有浮升力时湍流的数值模拟
LES所需的计算机资源虽仍然较大，但比DNS则 有数量级的下降，逐渐成为研究的热点，并初步得到 工程应用。
对于上述同样一个问题，采用LES所需网格可 下降到128x80x80=819200。
8/71
3. Reynolds时均方程法
将瞬时量表示成时均值与脉动值之和，对非稳态 N-S方程进行时间平均，通过模型将时均过程中产生 的各种脉动量的时均值表示成时均值的各类函数形式。 9.1.3 Reynolds时均值的定义及其性质
1. 时均值的定义
φ =φ +φ'
∫ φ
=
1
t + Δt
φ (t)dt
Δt t
Δt 为时间步长，相对于湍流脉动周期足够大，相对于
时均量的变化周期则足够小。
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非
准
稳
稳
态
态
湍
湍
流
流
时均值特性如下：
1. φ ' ≡ 0; 2.φ = φ; 3. φ + φ ' = φ; 4. φφ ' = φφ ' = 0
5. φ f = (φ + φ ')( f + f ') = φ f + φ ' f '
热管换热器传热性能及温度场数值模拟
第55卷 第3期 化 工 学 报 V ol 155 №3 2004年3月 Journal of Chemical Indus try and Eng ineering (Ch ina ) March 2004研究简报热管换热器传热性能及温度场数值模拟孙世梅 张 红(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京210009)关键词 热管换热器 传热性能 温度场 数值计算中图分类号 T Q 021 文献标识码 A文章编号 0438-1157(2004)03-0472-04NUMERICA L SIMULATION OF THERMA L PERFORM ANCE ANDTEMP ERATURE FIE LD IN HEAT PIPE HEAT EXCHANGERSUN Shimei and ZH ANG H ong(College o f Mechanical and Po wer Engineen ing ,Nanjing Univ ersity o f T echnology ,Nanjing 210009,Jiang su,Ch ina )Abstract Mathematic m odel for t hermal per formance of heat pipe heat exchanger based on the heat transfer m odel w as presented 1The i n finite vol ume m odel was used to calculate the overall thermal per formance and the temperature field of heat pipe heat exchanger 1The calculation results essentially coincided w ith the results of an engineering case and pr ovidedthe t heoretical base for engi neer i ng application.K eywords heat pipe heat exchanger ,thermal per formance ,tem perature field ,numerical calculation 3收到初稿,386收到修改稿联系人及第一作者孙世梅,女,38岁,副教授,博士研究生 引 言热管换热器是工业领域中应用广泛、经济有效的换热设备之一,对其传热性能的研究一直是热管界学者普遍关注的课题.采用传统换热器设计理论即对数平均温差法和有效度2传热单元法对热管换热器进行传热计算已有大量的文献报道[1～3],但采用数值分析的方法研究热管换热器传热性能还鲜见报道.在热管换热器中,冷、热流体间的热量传递是与热管管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程相耦合的,因此导致热管换热器的总体性能一方面取决于热管元件本身的性能,另一方面又取决于管壳间流体流动和传热的特性,这两方面的综合影响决定了热管换热器的数值模拟研究具有相当大的难度.本文采用数值模拟计算方法重点研究热管换热器的传热性能及其温度场分布,为热管换热器内流场分布研究和工程应用提供参考.1 数值计算模型的建立111 热管换热器传热模型假设热管换热器沿流体流动方向分成N 段,每一段由一排性能相同的热管组成.图1为第j 排热管传热计算示意图. R 3S UN S ,f ,D 2@631 Fig 11 H ear trans fer model o f heat pipe heat exch anger112 模型假设(1)热管换热器处于正常工况条件下.200-04-07200-0-1.:.e c eive d dat e :200-04-07.Corre spo nding a uthor :himei associate pro essor Ph ca n didate.E -mai l :sunshir 1c om(2)热管换热器沿流动方向分成N段,每一段由一排性能相同的热管组成.(3)流体物性不随温度变化.(4)同一排热管蒸发段和冷凝段管壁温度各自均匀相等.113 控制方程在热管换热器中冷、热流体间的热量传递是靠热管内工作介质蒸发和冷凝的相变过程耦合在一起的,因此可将热管换热器看成由两台错流式换热器组成.故有:冷流体侧ρc c p,c u c A c 5T c5x=q c(1)热流体侧ρh c p,h u h A h5T h5x=q h(2)式中 q c和q h是热管换热器沿流体流动方向单位长度上传递的热量.由热平衡可知q h=q c=∑Nj=1∑Mk=1q j,kLj=1,3,5时M=n;j=2,4,6时M=n-1(3)式中 n为第j排热管根数;N为管排数;q j,k为第j排第k根热管元件传递的热量,由下列公式确定q j,k=(UA)h p(T w,h-T w,c)(4)式中 (UA)hp为单根热管元件的当量热导率,表示单根热管在单位温差内从蒸发段表面到冷凝段表面所传递的热量[4],是表征热管传热性能的主要参数,受管内蒸汽温度与工作介质的物性影响很大.热管管内蒸汽温度及热管工作性能决定了管外流体的温度场,而管外流体温度场的分布又影响管内蒸汽温度,为保证热管换热器正常运行,管内蒸汽温度不允许超过其许用值.因此必须考虑管外对流换热的影响,根据单根热管传热模型[5]推导出下列守恒方程q j,k=K A(T h-T c)=T h-T cR(5)式中 T h与T c分别为热流体温度和冷流体温度, K为单根热管总传热系数,R为单根热管总热阻.故控制方程(1)和(2)可改写成下列形式:冷流体侧ρ,5T5x=∑Nj=∑M=T TR j,L(6)热流体侧ρhc p,h u h A h5T h5x=∑Nj=1∑Mk=1T h-T cR j,kL(7) 114 数值计算方法首先采用有效容积方法对上述控制方程进行离散[5],为保证离散方程守恒采用交错网格,如图2所示,实心圆代表热管元件位置,空心圆代表流体位置,且流经热管元件处流体的温度采用相邻节点处流体温度的平均值.因此有:冷流体侧ρc c p,c u c A cT c,i-T c,i-1Δx=-M jT h,j-T c,jR jΔx(j=1,3,5时M=n;j=2,4,6时M=n-1)(8) T h,j=T h,i+T h,i-12,T c,j=T c,i+T c,i-12热流体侧ρh c p,h u h A hT h,i-T h,i-1Δx=-M jT h,j-T c,jR jΔx(j=1,3,5时M=n;j=2,4,6时M=n-1)(9)Fig12 Sch ematic diagram of grid system为了求解温度场,采用松弛因子迭代法,并在FORTR AN90上编制了计算程序.通过上述离散方程推导出热管换热器逆流换热的迭代公式T h,i=11+B h,jT h,i-1+B h,j1+B h,jT c,i-B h,j1+B h,j(Th,i-1-T c,i-1)(10) T c,i=11-B c,jT c,i-1+B c,j1-B c,jT c,i-1-B c,j1-B c,j(Th,i-1+T h,i-1)(11)其中B h,j=M j/2ρh u h c p,h A h R j,B c,j=M j/2ρc u c c p,c A c R j(j=1,3,5时M=n;j=2,4,6时M=n-1)这里的M j代表热管换热器第j排的M根热管.115 初始值计算(1)热阻Rj的确定 在上述方程推导中R j代表热流体到冷流体流经第j排M根热管的总热阻,可以表达为Rj=αj+(U)+αj()α和α分别是热流体侧和冷流体侧翅片热管管壁374 第55卷第3期 孙世梅等:热管换热器传热性能及温度场数值模拟c c p c u c A c c1k1h-ck1hA h1A hp1cA c12h c外侧有效对流换热的传热系数,由以下公式确定αh =αh h (A h r +ηh A hf )A h,αc =αc c (A c r +ηc A cf )A c式中 A h 和A c 分别是热流体侧和冷流体侧的翅片热管管外总表面积;A h r 与A hf 分别为热流体侧热管翅片间光管换热面积和翅片表面积;A c r 与A cf 分别为冷流体侧热管翅片间光管换热面积和翅片换热面积;αh h 和αch 分别为热流体侧和冷流体侧流体横掠翅片热管管束的传热系数,由以下公式确定[6]α=λd 001137Re016338Pr 13(13)Re =ρudμ 6000<Re <14000(14)(UA )h p 是单根热管的当量热导率,它的影响因素非常复杂.(UA )h p 不仅与管内蒸汽温度以及工作介质的物性有关,而且与热管蒸发段同冷凝段长度比、蒸发段和冷凝段管壁温度亦有很大的关系,这导致(UA )h p 很难确定.文献[6]通过大量的实验表明,在一定测量和允许误差范围内,在各种正常工况下,单根热管的(UA )hp 是一常数.如长610mm 、外径3317mm 、工质量0177kg 的有芯碳钢2水热管,(U A )hp =3136W K -1.文献[6]作者认为(U A )hp 中,U 是热管内部蒸发与冷凝传热系数,对碳钢2水热管,U =5810W K -1.(2)边界条件的确定 给定热管换热器热流体侧进出口温度以及冷流体侧进口温度.(3)约束条件 对于水2碳钢热管,管内最大允许蒸汽温度T v ,max ≤250℃,最小蒸汽温度T v ,m in ≥60℃.热流体出口处热管管壁最小温度T w ,h ,min应高于燃气露点腐蚀温度.2 模拟与实验对比研究为验证上述分析的正确性,建立热管换热器实验台[7],热管换热器在逆流条件下操作.主要结构参数列于表1,主要性能参数列于表2.为测量冷流体侧温度分布,从冷流体进口处管排开始每隔一排热管设置一对热电偶,测量相应位置处的冷流体温度.热侧主要采用取样测试的方法,在热侧的第5排、第13排、第23排、第31排的管子轴线平面位置处和第17排与第18排的中间位置处各布置一个铠装热电偶,测量相应位置处的热流体温度.(1)热管换热器传热性能对比分析 图3与图4分别表明了热流体侧与冷流体侧流体温度场的数值模拟计算值、实验测量值、ε2NTU 法计算值对比分析.可以看出,冷、热流体进口温度相同的情况下,温度场的数值模拟计算结果与实验测量结果吻合较好,而ε2NTU 法计算值与实验测量结果偏差较大,这较好地说明本文提出的热管换热器传热性能的数值计算方法是可行的.(2)热管管壁温度分布对比分析 图5表明了冷流体侧管壁温度的数值模拟计算值、实验测量值、ε2NT U 法计算值对比分析.可以看出,模拟计算结果与实验测量结果吻合较好,而ε2NT U 法计算值与实验测量结果偏差较大,从而证明了数值计算方法的可靠性.以上分析还可表明,数值计算方法可以较直观且方便地预测热管换热器在一定工况下冷、热流体以及蒸发段与冷凝段热管管壁的温度分布情况,为热管换热器故障诊断和事故分析提供了强有力的理论依据.T a ble 1 Str uctur al para meter s of heat exchangerOutside diameterof heat pipe/m mEvaporat or length of heat pipes/m mC ondenser lengt h of heat pipes/m mF in height /m mEvaporator fin t hickness /m mC ondens er fin thi ckness/m m38390270122112E vaporator fin pitch/m mC ondens er fin pitch/m mPi pe pitch(longit udinal )/m mP ipe pitch (t ransvers e)/mmP ipe arrangement Number of rows 431866574/3(staggered )32T a ble 2 Design par a meter sH ot flui d sideInlet t em perat ure/℃Outlet tem perature/℃V olum e flow rate (s tandard )/m 3h-1C ol d fluid sideInlet tem perature/℃Outlet tem perature/℃Vol um e flow rate (s tandard )/m 3h -15886585474化 工 学 报 2004年3月 242442717Fig13 T emperature distribu tion o f hot fluid flo w Fig14 T em perature distribution o f cold fluid fl ow Fig15 Wall temperature d istributiono f condenser section3 结 论采用数值计算方法研究热管换热器的传热性能及其温度场分布,通过与实验研究结果、ε2NT U法的计算结果分析比较,验证了所提出的数值计算方法的可靠性与可行性,表明本文所建立的换热器数值模拟计算模型能够较好地预测热管换热器在一定工况下冷、热流体沿换热器长度方向的温度分布,为今后热管换热器的理论研究和工程应用提供参考.符 号 说 明A———面积,m2———比热容,K———管直径,K———总传热系数,W KL———换热器长度,mM,N———热管总根数M j———第j排热管总根数n———每一排热管总根数Pr———Prandtl数q———热量,Wq j,k———第j排第k根热管传热量,WR———热管换热器总热阻,m2K W-1Re———Reyn olds数R j———第j排热管换热器热阻,m2K W-1T———温度,K(UA)h p———单根热管当量热导率,W K-1u———速度,m s-1x———坐标,mα———对流换热传热系数,W m-2K-1η———翅片效率λ———热导率,W m-2K-1μ———黏度,kg m-1s-1ρ———密度,kg m-3下角标c———冷流体h———热流体i———流体流动位置j———热管纵向排列位置k———热管横向排列位置w———管壁Reference s1 Am ode J O,F el dm an K T1P relim inary Analys is of Heat P ipe H eat Exchangers for H eat R ecovery.AS ME Paper N o1752W A/HT236.ASME:19762 Lee Y,B edross ian A1T he C haract eristics of Heat E xchangers Using H eat P ipes or Therm os yphons1Int1J1Heat Transfer,1978,21(4): 221—2293 Li T i nghan(李亭寒),Hua Chengsheng(华诚生).Heat P ipe Des ign and A pplication(热管设计与应用).Beijing:Chem ical Indus try P ress,19874 Huang B J,Tsuei J T1A Method of Analys is for H eat Pipe H eat Exchangers.Int1J1H eat T ransfer,1985,28(3):553—5625 Patankar S V1Num eri cal Heat Trans fer and F l uid Fl ow1New Y ork: McG raw2Hill,19906 Zhuang J un(庄骏),Zhang H ong(张红).Heat P ipe Technol ogy and Engi neering Applicati on(热管技术及其工程应用).Beijing: Chem ical Industry P ress,20007 S un Shi m ei(孙世梅),Zhang H ong(张红),C hen Dan(陈丹), Z huang Jun(庄骏).S tudy on Sim ulati on Design of High2tem perat ureH eat Pi pe H eat Exchanger.P etroleum Chemical E quipm ent(石油化工设备),2003,32(3):23—25574 第55卷第3期 孙世梅等:热管换热器传热性能及温度场数值模拟c p k J kg-1-1d mm-2-1。
内置转子套管换热器的实验及数值模拟研究
1 数学模型及其求解
1.1 模型的建立
本次模拟的套管式换热器换热管管长为 300mm，管程内径为 23mm，壳程内径为 50mm。 换热管内置转子外径为 22mm，导程为 200mm，单个转子长度为 30mm。本次模拟的特点是采 用换热管内安装多个转子并且同步旋转，保证流体经管程入口后依次受到各个转子的扰流作 用，从而使得模拟更接近现实工况。使用三维实体造型工具建立流场分析区域，如图 2 所示。
图 4 实验装置流程图 Fig.4 Flow diagram of experimental system
2.2 数据处理
当换热管内外的冷热流体流动达到稳定状态时，管外热水的放热量及管内冷水的吸热量 可分别表示为式(4)、式(5)。
Qo moC p ,o (To,in To,out )
(4) (5)
1.3 控制方程
基于不可压缩的牛顿型流体 ,在常物性和宏观热能守恒的假设下 ,换热器管程流体流动和 传热必须满足以下 3 个控制方程[11]。 连续性方程：
ui 0 (i=1,2,3) xi
动量守恒方程：
ui u j xi 1 p
(1)
x j
u ( i ) (i,j=1,2,3) xi xi
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第七届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
图 2 流场分析区域 Fig.2 Region of flow analysis
采用网格划分软件 Gambit 分别对管程、壳程以及转子进行网格划分如图 3 所示，并把划 分网格的有限元模型输出成 mesh 文件格式，为求解做好准备。
图 3 网格划分 Fig.3 Mesh generation
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第七届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
管内对流换热强化的数值模拟_邓俊杰
分类号学号 M200870660 学校代码 10487 密级硕士学位论文管内对流换热强化的数值模拟学位申请人：邓俊杰学科专业：工程热物理指导教师：刘伟教授答辩日期： 2011年1月6日A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirements for theDegree of Master of EngineeringNumerical Study of Heat Transfer Enhancement in the tubesCandidate : Deng JunjieMajor: Engineering ThermophysicsSupervisor: Prof. Liu WeiHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.China独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在____________年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要节能减排已经成为我国乃至于全世界各国经济发展中的一个重要环节，而高效实用的强化传热技术是节能的重要手段，广泛应用于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域。
双套管双管板换热器流动及传热性能数值模拟
最好 ， 甲苯气体 的最差 ； 壳程介质在流体接管进 、 出口附近存在 回流和绕流且速度较小 ， 管程介质流动较 为均匀 ， 受 壁面边界层影响 ， 速度在管 中心处较高 ， 在管壁处较低 ； 采用模拟和传 统计 算方法 分别得到不 同雷诺数下 的总传 热 系数 ， 模拟得到的值 比用常规设 计计 算结果好 １％一３ ％ ， ５ ０ 因此传 统计算公式不 能很好地解 决此类 换热器 在实际 中应 用问题 ， 通过模拟实验等手段优化传 统计 算方 法是今后研究重点 。
ｉ ｓｄ ｎ ｕ ｓｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｉｆｒ ｎ ｄ ａ ｉ ｃｕ ｉ ｇ ａｒ ｎ ｉ ｅａ ｄ ｏ ｔｉ ｅｔ ｂ ｓｗｉｈ ｆｕｒｄ ｆｅ ｅ ｔｍｅ ｉ ｎ ｌ ｄ ｎ ｉ ，ｗａｅ ，ｔｌ ｅ ｅｇ ｓａ ｄ ａ ｇ ｎ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｗｓｔ ａ ｔ ｒ ｏｕ ｎ ａ ｎ ｒ ｏ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｈ ｔ ｄ ｆ ｒ ｎ ｄａ ｌ ａ ｏｄｉ ｅ ｅ ｔｈ ａ ｒ ｎ ｆ ｒｒ ｓ ｌｓ ｉｆ ｅ ｔｍｅ ｉ ｅ ｄ ｔ ｆ ｒ ｎ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｅ ｕ ｔ ．Ａｍｏ ｇ ｗｈ ｃ ｔｒｈ ｓｔ ｅ ｂ ｓ ｆｅ ｔｆｒｈ ａ ｒ ｎ ｆｒ ｅ ｆ ｎ ｉｈ ｗａｅ ａ ｈ ｅ ｔｅｆｃ ｏ ｅ ｔｔａ ｓｅ ，ｗｈｌ ｉ ｅ ｔｌ ｅ ｅ ｉ ｈ ｒｔ ｏｕ ｎ ｓｔ ｅ ｗｏ ．Ｂａ ｋ ｌｗ ｎ ｒ ｕ ｄ ｆ ｗ ｘｓ ｎ ｂ ｔ ｎ ｅ ｎ ｕ ｌｔｐ ｐ ｏ ｚｅ ｆｓ ｌ ｓｄ ｓ ｃｆ ｏ ａ ｄ ａ ｏ ｎ ｏ ｅ ｉｔｉ ｏ ｈ ｉ ｌｔａ ｄ ｏ ｔｅ ｉ ｅ ｎ ｚｌ ｓｏ ｈｅｌ ｉｅ，ａ ｄ ｔ ｅ ｆｕ ｄ ｌ ｎ ｈ ｉ ｌ ｉ ｕ ｅ ｓｄ ｓ ｗｅｌｄ ｓｒ ｔｄ．Ｂｅ ａ ｓ ｆｔｅ ｗａｌｂ ｕ ｄ ｒ ａ ｅ ｆｅ ｔ ｈ ｅｏ ｉｙ ｉ ｉ ｈ ｒａ ｈ ｅ ｔ ｒｂ ｔ ｎ ｔ ｂ ｉ ｅ ｉ ｌ— ｉｔ ｂｕ ｅ ｉ ｃ ｕ ｅ ｏ ｌ ｏ ｎ ａ ｙ ｌｙ ｒ ｅｆｃｓ，ｔ ｅ ｖ ｌ ｃｔ ｓｈ ｇ ｅ ｔｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｕ ｈ
换热器流动及传热的数值模拟
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山东豪迈化工技术
2.4 边界条件设定 本文中的流体均为不可压缩流体，采用基于压力求解器（pressure based
solver），三维空间（3D），单精度，定常流动，绝对速度。因涉及传热计算，故 打开能量方程。根据模型条件计算雷诺数，管壳程流体流动可达到过渡流或湍流， 湍流粘性采用 k-Epsilon(2 eqn)模型，近壁面采用标准壁面函数（standard wall functions），压力和速度解耦采用 SIMPLE 算法（semi implicit method for pressure linked equation），动量、能量及湍流参量的求解采用二阶迎风格式。亚松弛因子 等均按默认设置。计算流体采用速度入口条件，给定流体流速、温度及相应的湍 流条件。 2.5 结果与讨论
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2 换热器数值模拟
本文以管壳式换热器为例，通过 workbench fluent 软件进行流体流动和传热 的模拟计算，以准确地预测管壳式换热器壳程流动、传热热性，以实现设计高效 可靠的换热器及评价和改造现有换热器的性能。
2.1 问题描述
研究对象为一润滑油冷却器，壳程为润滑油，管程为冷却水，冷却器总长为 0.92m，筒体直径为 0.207m，管程数为 2，壳程数为 1，流动形态为逆流，换热 器主要几何尺寸和相关物性参数见下表。
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套管换热器湍流对流换热的数值模拟
1.俞接成 1.吴小华
2.刘全
摘要：为了获得换热器中强化换热管对换热性能的综合影响，笔者运用FLUENT软件，采用二维轴对称方法和K一ε模型对套管换热器的整体进行了数值模拟。
分别模拟了光管和波纹管套管换热器在湍流情况下的换热性能。
数值计算结果表明：光管套管换热器的总传热系数K 的数值计算结果与经验公式计算结果吻合很好；与光管相比，在相同流动条件下波纹管可提高总传热系数120，但随着Re增大，其影响逐渐减小。
关键词：套管换热器；波纹管；数值模拟；强化换热
随着能源的日益紧张，人们对强化换热的研究日益重视。
套管换热器是进行强化换热管性能实验研究的主要实验装置，许多强化换热管的强化换热性能都是利用套管换热器来进行的。
随着计算机硬件、计算流体力学和计算传热学的不断发展，数值模拟已经成为传热学研究的一种重要方法。
在强化传热管研究方面，数值模拟也被广泛应用。
但在研究中，普遍的做法是取换热管的一部分，将其设置为等壁温或等热流边界条件，然后按流动与传热均已充分发展的情况来进行模拟。
这样处理将无法考虑进口段对换热的影响，而且不能获得强化换热管对管外流体流动和换热的影响。
如果能对整个套管换热器进行模拟，则可以获得强化换热管的整体换热性能，与实际的实验工况更为接近。
目前尚未检索到有关对整个套管换热器进行数值模拟的文献报道。
笔者将尝试采用二维轴对称方法，应用FLUENT软件对在湍流情况下的整个套管换热器的对流换热情况进行数值模拟。
由于FLU—ENT软件中有多种湍流模型可供选择，首先模拟了光管充分发展湍流、等壁温条件下的努塞尔数和摩擦系数，并将数值计算结果与经验公式进行比较，以确定合适的湍流模型和FLUENT软件的其他选项。
然后再对光管套管换热器的换热性能进行数值模拟，比较总传热系数K 的数值计算结果与运用经验公式计算结果。
在此基础上对波纹管套管换热器非换热性能进行模拟，并将其与光管套管换热器的总传热系数进行对比，分析波纹管对总传热系数K 的影响。
2 物理模型和边界条件
2.1 湍流模型的选择
在FLUENT软件中，有多种湍流模型可供选择，如志K一ε湍流模型、雷诺应力模型(RSM)等，为确定合适的湍流模型FLUENT软件中的选项，首先模拟了以水为介质、等壁温热边界、直径为20mm的光管在充分发展湍流情况下的对流换热问题，假定水为常物性，其物性参数引用FLUENT数据库中的值。
分别模拟了雷诺数Re分别等于1万、2万、4万、6万、8万和1O万六种流动情况，并将数值模拟所获得的摩擦系数f和努塞尔数Nu与经验公式进行比较：
结果表明：当选用标准K一ε湍流模型，并选择强化壁面处理方式的模拟结果与经验公式最吻合，数值计算结果与经典经验公式的对比如图1所示。
在Re较小(Re=1×104)时的误差相对较大，摩擦系数f和努塞尔数Nu的最大误差分别为8．94 和9．85 ，其他Re下的数值模拟结果与经验公式的误差较小。
在后面对套管换热器的模拟中将采用标准K一ε湍流模型并选择强化壁面处理方式进行模拟。
2.2 物理模型和边界条件
采用二维轴对称方法对套管换热器进行模拟，分别模拟了光管和波纹管两种情况，其中换热管的长度为2 m，套管的直径为40 mm，光管直径为20 mm，波纹管的结构尺寸如图2所示。
应用GAMBIT软件对套管换热器进行建模和网格划分，不考虑壁厚的影响，整个套管换热器共划分了16万个网格，设置了管内和环形空问两个流动区域，在FLUENT软件中可分别设置为不同的介质，在本文中均设为水，并假定是常物性，管内和套管的流动为逆流。
其他的边界条件为：套管壁面绝热，光管或波纹管的壁面设为耦合条件，管内或环形空间的人口设为质量流量人口，流量大小根据计算的雷诺数Re进行确定，模拟了管内和环形空间的雷诺数相等，并分别等于l万、2万、4万、6万、8万和10万六种工况，管内人口温度设为350 K，套管的人口温度设为300 K。
出口均设为压力出口条件。
3 数值计算结果分析
3.1 光管套管换热器
当内管为光管时，总对流换热系数K1可分别由数值模拟和经验公式计算获得。
由经验公式计算时，先由公式(1)计算管内和管外的努塞尔数Nu，进而由式(3)和式(4)计算K1，根据数值模拟时所作的简化，不考虑壁面热阻和污垢热阻。
数值模拟时，由FI UENT软件求得内管壁面的换热量Q和内管套管的出口体平均温度，求出对数平均温差△tm，然后由传热方程式(5)计算总传热系数K2：
六种工况总传热系数的数值计算结果和由经验公式计算结果的比较如图3所示，从图3中可以看出，光管套管换热器的总传热系数的数值计算结果与经验公式非常吻合，最大误差
为8．77 ，因此运用FI UENT软件，采用二维轴对称方法对光管套管换热器进行数值模拟完全能满足工程要求，为进一步应用数值模拟方法研究强化换热管的整体换热性能提供了保障，克服了以往的数值计算中只考虑对管内换热性能的研究而忽略强化传热管对管外流体流动和换热的影响。
3.2 波纹管套管换热器
用FIUENT软件对长2m、结构尺寸如图2所示的波纹管代替光管的套管换热器进行了数值模拟，FIUEN中的各项设置、模拟工况以及数据处理方法与模拟光管时相同，在各工况下波纹管套管换热器的总传热系数Kc与光管套管换热器的总传热系数Ks的比值Kc／Ks如图4所示。
从图4中可以看出，对于同样尺寸的波纹管在小雷诺数时，对换热的强化比较显著，如在Re=1×104时，相对与光管，波纹管套管换热器的总传热系数提高了120%，但随着雷诺数的增大，对总传热系数的影响逐渐减小，如当Re≥6×104后，波纹管对总传热系数的提高不超过30%，并趋于稳定。
图5是Re=20 000时，x=1m处波纹管套管换热器管内和管外流体流动的流线图，从图5可以看出，波纹管同时影响管内和管外流体的流动，在管内和管外同时形成漩涡，从而使换热得到强化。
4 结论
运用FLUENT软件，采用二维轴对称方法和标准K一ε湍流模型对湍流情况下2m长的光管和波纹管套管换热器的对流换热情况进行了数值模拟，并在近壁面选择强化壁面处理方式。
数值计算结果表明：光管套管换热器的总传热系数K 的数值计算结果与经验公式计算
结果吻合很好，最大误差为8．77 %，表明运用FLUENT对套管换热器的数值模拟方法可行；与光管相比，在相同流动条件下波纹管可提高总传热系数120%，但随着Re增大，其影响逐渐减小，其强化程度不超过30%。
通过对套管换热器的整体模拟，可获得强化换热管对管内和管外换热性能的综合影响。
参考文献
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