基于Fluent流場分析在換熱器設計中的應用

劉營營，仲梁維，孫 炎

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

基于Fluent流場分析在換熱器設計中的應用

劉營營，仲梁維，孫 炎

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

分析了工業換熱器流場內部結，為換熱器設計提供理論依據。利用Solidworks建立管殼式換熱器三維模型，Workbench軟件進行網格劃分，Fluent軟件進行有限元計算。通過設定求解器類型、具體邊界條件值以及松弛因子，對模型進行迭代計算。得到殼程流體的壓力場、溫度場和速度場特點的具體分析結果，證明了計算模擬的數據結果與工業實體流體研究結果相吻合，為換熱器的優化設計提供理論依據。

工業換熱器；Fluent；流場分析；數值模擬

換熱器是能源、動力、冶金等工業中的通用設備，工業換熱器的性能直接影響能量的轉換過程，其中管殼式換熱器是目前應用廣泛的一種換熱器，其結構可靠，可承受高溫高壓。因此研究換熱器內溫度如何分布，流體溫度對換熱器溫度交換造成的影響，提升換熱器的效率和資源利用回收率，對能源的節約具有重要的意義。

換熱器幾何結構、液體流動[1]與溫度分布比較復雜，很多學者不斷嘗試更為先進有效的方式。利用計算流體力學(CFD)[2]進行瞬態模擬復雜和理想工況下的流體流動狀態、溫度場、壓力場等。采用Workbench網格劃分，Fluent軟件流體分析[3]與換熱器相結合，利用Fluent[4]的后處理功能對其進行數值模擬分析，并測出換熱器內部能量分布規律和出口溫度變化。

1 換熱器結構模型

1.1 換熱器的結構

常用工業流體[5]換熱器設計要求如下：Solidworks軟件建立三維模型，幾何模型采用普通管殼式換熱器，單管程、單殼程和弓形圓缺折流板，由于換熱器為對稱結構，所以采用半結構模型。

圖1 管殼式換熱器結構

表1 換熱器的幾何參數

殼體長度/mm殼體直徑/mm殼程直徑/mm殼程流體殼程入口溫度/℃殼體入口溫度/℃1400340240甲烷-3050

1.2 換熱器流程設計

在傳統的研究設計中，通常需要制造出換熱器的三維模型，然后進行實驗得出數據，分析換熱器[8]內部溫度的變化規律。如果不符合要求，不僅需要重新進行數據實驗，還需要對模型進行修改，費時費力。

本文利用Fluent的物理模型、數值方法和前后處理功能，通過非結構化網格和基于解的自適應網格技術及物理模型進行數值模擬。一股溫度較低的流體進入殼程，另一股溫度較高的流體進入殼體，兩股流體在殼體進行溫度交換[9]，分析溫度場的分布對整個換熱器的產熱效果產生影響，得到流場分析在換熱器中的具體應用。利用Solidworks進行模型修改，從而使換熱器的換熱效果達到最佳。

2 Fluent流場分析

2.1 基本方程

能量守恒的本質是熱力學第一定律，在工程熱力學研究范圍內，能量守恒定律可表示為：

對任意選擇的控件來說，單位時間內外界給于控件的熱量與體積力、表面力做的功之和等于同時間內控制體內熱力學[10]的增加率。在直角坐標系中，根據能量守恒定律的描述，可導出能量守恒定律的微分形式

(1)

式中，Cp為比熱容；T為溫度;λ為流體的導熱系統;Sr為粘性耗散項，即流體的內熱源以及由于粘性的作用使流體機械能轉換為流體熱能的部分能量。式(1)也可以寫成矢量形式

(2)

實際工程中應用最多的是湍流模式理論，因此本文選擇湍流模型。在工程中常用的湍流模型是k-ω雙方程模型，標準模型只適用于完全湍流狀態的流體流動，RNG模型即重組化群模型，該模型是在瞬時N-S方程的基礎上通過重組化群的數學方法推導得來的。所以選擇RNGk-ω作為流體仿真的湍流模型。

2.2 劃分網格

劃分網格比較耗時且容易出錯，特別是復雜的模型，需要謹慎選擇網格的類型和網格劃分的方法，并對劃分后的網格質量進行監控。在網格劃分時需要根據換熱器的結構特征選擇合適的網格劃分類型和劃分方法，本文換熱器[11]采用非結構網格或混合網格。對于接管部分采用Tet/Hybrid 劃分類型和 Tgrid 劃分方式劃分成非結構網格。

圖2 管殼式換熱器網格劃分

2.3 邊界條件

換熱器采用逆流的傳熱[12]方式，管程和殼程的進口界面設置為速度入口邊界(Velocity_Inlet)，出口界面設置為壓力出口邊界(Pressure_Outlet)，其他界面默認設置為壁面界面(Wall)；管程和殼程流體區域則設置為流體(Fluid)，換熱管壁面設置為金屬。在管程邊界條件設置時，分別單獨對甲烷和制冷劑進出口進行設置，以便于后期入口邊界條件參數和流體類型的設置。

對于速度入口邊界條件，在湍流計算時需要進行速度分量、溫度、湍流強度和水力直徑4個參數的設置。速度分量為各股流體的入口速度，水力直徑為各個流道的內徑，湍流強度為5%，水力直徑為4 mm，熱甲烷入口溫度為50 ℃，回流湍流強度為5%，回流水力直徑為4 mm，對于壓力出口邊界，不另外設置出口壓力，出口靜壓為零。

2.4 設定條件并迭代計算

設定冷熱流體均為氣態甲烷，開始迭代，大約經過1 200次迭代后，各項方程結果，殘差均以滿足要求，計算收斂。

圖3 殘差曲線圖

3 計算結果與分析

通過Fluent軟件分析有限元模型的壓力、速度和溫度值，并繪出相應云圖。

圖4 速度矢量云圖

圖5 壓力云圖

由速度矢量分布與壓力云圖得知，距離入口的圓柱迎流區速度較高，隨著流體流動速度逐漸減小，直至殼程內部，速度達到最低。由于冷流體的粘性力在邊界層內不能忽略，在粘滯力的作用下，邊界層內流體會在圓柱面表面發生分離而形成渦流區，該區域內的壓力是均勻的，而這一點在壓力的分布圖中得到了證實。

圖6 速度云圖

圖7 溫度云圖

由于管程一側是流入的冷流體，換熱器管程沿軸向的溫度梯度變化劇烈，另一側是熱流體的管殼；而在管板徑向的溫度分布規律為又上向下逐漸減小，冷流體橫行沖刷換熱管束后溫度有所提高，另外，冷流體在該管板下半部分的殼側速度相對較小，與管程接觸時間較長，流體溫度相對較高。

管板和殼體連接處的溫度梯度較大，在換熱管[13]和管板連接區域溫度變化明顯，從速度分布圖可以看到，該區域內[14]流體速度較低，流體與柱面接觸時間相對較長，這也是該區域內流體溫度相對較高的原因。由對流傳熱公式q=hΔt可知，該區域速度小、溫度差小，故換熱熱流密度較小。

圖8 殼體溫度分布云圖

從溫度分布圖8中可見，沿著管程[15]和圓周方向，溫度分布出現明顯的變化，通過入口段后的流體得到充分發展，流道形狀變化不大，流體分布的變化較小，因此管束在這些充分發展的流道內，由面積平均得到的溫度變化[16]均勻而緩慢。冷熱流體進口溫度達到最低與最高，且隨著流體的方向溫度逐漸降低，使管內溫度接近中間值。流場的換熱狀況與其流動狀況密切相關，溫度由換熱器進口沿殼體長度方向呈遞減變化，當冷流體流進換熱器內時，殼程主流區流動面積增大、流速減小，殼程溫度場分布均勻性增強。

4 結束語

本文研究了換熱器內部的流動場和溫度分布規律，為管殼式換熱器設計提供參考。建立管殼式換熱器三維模型，運用Fluent軟件進行流體分析，在滿足設計要求的前提下，使換熱效率達到最高。由此方法進行模擬設計，節約了時間和成本，是一種行之有效的設計方法。

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Application of Fluent-based Flow Field Analysis in Heat Exchangers

LIU Yingying，ZHONG Liangwei，SUN Yan

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The internal structure of the flow field in the industrial heat exchanger is analyzed, which provides the theoretical basis for the design of the heat exchanger. The three-dimensional model of shell and tube heat exchanger is established by SolidWorks, with workbench software divided into grids and Fluent software used for finite element calculation. By setting the type of the solver, the specific boundary conditions and the relaxation factor, the model is calculated by iteration. Shell side fluid pressure field, temperature field and velocity field characteristics of the specific results of the analysis are obtained. The simulation results agree with the industrial data entity of fluid research results.

industrial heat exchangers; Fluent; flow field analysis; numerical simulation

2016- 06- 21

劉營營(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：二次開發等。仲梁維(1962-)，男，教授。研究方向：CAD /CAM/CAE 計算機輔助智能設計制造。孫炎(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：二次開發等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.014

TQ051.5

A

1007-7820(2017)05-052-03