管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬分析

摘要：傳統的管殼式換熱器殼側流體流動特性分析方法計算得出的凝結水流量等參數與實際相差較大，為此提出了一種新的管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬方法。建立數值模擬模型，定義殼側流體流動邊界條件，通過對殼側流體流動情況的計算求解，得出數值模擬分析結果。實驗結果表明：該方法分析得出的凝結水流量明顯比傳統方法更接近實際情況，準確性更高。

關鍵詞：管殼式換熱器;殼側流體;流動特性;數值模擬

0 引言

管殼式換熱器是為了滿足長期處于高壓環境中的電廠、鍋爐廠等大型換熱器運行需求而研發生產的。為了進一步提高傳統管殼式換熱器的工作效率，在傳統管殼式換熱器結構基礎上，強化了用于傳熱的擋板結構，有效提高了傳熱效果[1]。本文針對傳統管殼式換熱器殼側流體流動特性分析方法計算得出的凝結水流量等參數與實際相差較大，不滿足電廠、鍋爐廠等大型換熱器檢驗維修標準的問題，對管殼式換熱器殼側流體流動特性數值進行了模擬分析。

1 管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬方法設計

1.1 ? ?建立管殼式換熱器殼側流體流動數值模擬模型

對需要進行數值模擬分析的研究對象——管殼式換熱器進行前處理，根據數值模擬對象的實際參數，建立如圖1所示的管殼式換熱器數值模擬模型。

本文采用流體力學模擬基礎軟件，結合其強大的網格規劃功能，將建立的管殼式換熱器數值模擬模型直接引入到流體力學模擬基礎軟件中，并對其進行網格劃分。本文采用分塊劃分網格的方法，首先對上文建立的模型上端和下端出口進行劃分，并對其他各個結構分別劃分網格，再對劃出后的網格分別進行劃分[2]。采用混合網格方式的四面體和金字塔網格對管殼式換熱器數值模擬模型各個結構的網格進行劃分，考慮到對后續模擬計算速度的影響，本文對上端和下端接口采用六面體網格對其殼側劃分成如圖2所示的網格模型。

本文選用分離隱式求解器，選擇混合物模型作為流體流動的計算模型，并考慮相同的速度滑移。采用標準的雙方程湍流模型，通過管殼式換熱器殼側標準壁面函數對殼側的流體流動進行計算，完成對管殼式換熱器殼側流體流動數值模擬模型的建立。

1.2 ? ?定義管殼式換熱器殼側流體流動邊界條件

本文主要針對管殼式換熱器殼側流體流動特性進行數值模擬方法設計，因此殼側內部的流體應為高溫飽和的水蒸氣，管側流體應為低溫冷卻水，將高溫飽和水蒸氣與低溫冷卻水轉換的過程看作是冷凝相變換熱的過程[3]。根據管殼式換熱器實際工作運行情況，在數值模擬分析時，假設上端入口流體的流動速度為均勻分布，流體流量和溫度等物理量根據實際情況設定。對流體的湍流強度定義根據如下公式進行設定。

式中，P為流體的湍流強度;v為流體湍流脈動速度;v為流體平均速度;ReDH為按照水力直徑為DH計算得出的雷諾數。對于管殼式換熱器殼側壁面采用不可滲透、無滑移絕熱壁面作為邊界條件。

1.3 ? ?殼側流體流動情況計算求解過程

針對管殼式換熱器殼側流體為冷卻水的情況，由于冷卻水會受到殼側的高溫逐漸轉變為水蒸氣，因此將本文上述建立的數值模擬模型整體旋轉180°，并使下端出口方向朝與水平面垂直的正方向，從而更有利于水蒸氣的排出。本文采用分離隱式求解器對其數值模擬進行分析，設置殼側流體為293 K標準冷卻水，物性參數取定性溫度環境下的常量，將水設定為主相，將氣體設置為第二相，設置氣體的最小顆粒的直徑為1.68×10-4 m。由于在實驗過程中會受到重力的影響，因此將縱向流速的方向設置為管殼式換熱器的方向，將縱向流速設置為8.67 m/s2。針對兩個分區分別設定不同的溫度，并對控制殼側內部體積的物理量采用一階迎風格式進行離散處理，根據離散結果得出管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬分析凝結水體積分布、速度場分布、溫度場分布、壓力場分布等結果。

2 實驗論證分析

本文選擇某電廠常用管殼式換熱器作為實驗對象，管殼式換熱器的殼側內徑為120 mm，總長度為1 400 mm，下端出口處接管直徑為45 mm，長度為75 mm，折流板厚度為2.5 mm，兩個折流板結構之間距離為135 mm，圓缺高度為25.5 mm，排水缺口處位于折流板結構的正上方，其內徑為12 mm。分別利用本文提出的管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬方法與傳統管殼式換熱器殼側流體流動特性分析方法進行實驗對比，并將其分別設為實驗組和對照組。將實驗組與對照組得出的管殼式換熱器殼側凝結水流量分析結果，分別與實際凝結水流量進行比較，并將對比結果繪制成如圖3所示的實驗結果對比圖。

根據圖3中的相關數據可以看出，實驗組與對照組數值模擬的發生冷凝相變的凝結水流量會隨著飽和水蒸氣的溫度升高而呈現出上升趨勢，但實驗組與對照組的分析結果與實際凝結水流量對比，明顯實驗組與實際情況更相符。因此，通過對比實驗證明，本文提出的管殼式換熱器殼側流體流動特性數值模擬方法通過數值模擬得到的分析結果準確性更高，在實際應用中分析結果更符合實際情況。

3 結語

本文針對管殼式換熱器在實際運行時的殼側流動情況，提出了一種全新的流動特性數值模擬方法，并通過對比實驗證明了該方法的優勢。在實驗過程中發現，在殼側的折流板圓缺處及排水缺口位置上，流體流動的速度、溫度以及壓強都發生了較大的改變，說明在該區域內存在較強的工作強度，隨著使用時間的不斷增加，該區域勢必會出現過早老化的現象，降低管殼式換熱器的使用壽命。

[參考文獻]

[1] 杜卡帥，胡珀，胡真，等.初邊值條件對二維通道內降膜流動行為影響的數值分析[J].應用科技，2020，47（2）：85-92.

[2] 董華東，沈彥儒，王向陽，等.齒形幾何參數對階梯型迷宮密封泄漏特性影響的數值模擬研究[J].山東化工，2020，47（7）：251-253.

[3] 史同心，張明.不同射流壓力下柴油機非對稱噴嘴內部流動特性的數值分析[J].真空科學與技術學報，2018，38（12）：1088-1092.

收稿日期：2020-04-25

作者簡介：許麗華（1982—），女，河北邢臺人，碩士，講師，研究方向：機械產品數字化設計與智能設計。