折流杆换热器数性能的整体数值模拟新方法

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。
从上述分析可见，对于图1所示折流杆换热器，采用分段模拟进行完整的流体力学和传热分析只需要建立进(出)口段和周期重复结构中的任意一段(包含4个折流圈)两个三维几何模型就足够了。这种管壳式换热器的分段建模过程，实际上利用了“流路分析”法[10-12]的概念来指导结构模型的划分。利用“分段模拟，整体综合”法除了通常的CFD计算之外，还需要考虑分段连接界面的连续性
问题。
分段建模和模拟技术可以看成是对影响换热器性能的流道几何进行有限度的离散化方法，离散的依据是流体力学和传热性能，是建立在对换热器几何结构、流体力学和传热性能充分了解基础之上的一种新的分析技术。

2 计算模型的简化
折流杆管壳式换热器的参数为：筒体尺寸Φ108mm×4mm×1500mm；换热管19×Φ12mm×3mm；导流筒Φ88mm×lmm×120mm；折流栅24×Φ96mm×Φ82mm；折流杆直径Φ3mm；管板厚度15mm。管程介质为饱和水蒸气，壳程介质为冷却水。管子的排列方式为正三角形。模拟计算时，对换热器壳程模型作了如下简化。
(1)简化管箱流道。单独建立管板实体模型，通过适当的边界条件代表管箱饱和水蒸气传热。
(2)忽略折流栅和壳体问的环隙。虽然真实设备中存在这样的环