盘管换热的数值模拟_杨晶

第11卷第31期2011年11月1671—1815(2011)31-7793-04

科学技术与工程

ScienceTechnologyandEngineering

Vol.11No.31Nov．2011?2011Sci.Tech.Engrg.

动力技术

盘管换热的数值模拟

杨

晶

张翠婷

杨林

代曙光

(东北石油大学1，大庆163318;大庆油田储运销售分公司2，大庆163453;西南石油大学3，重庆610500)

摘要应用CAD建立盘管换热模型。利用流体计算软件FLUENT对盘管换热后容器内部的温度场、速度场、压力场进行仿

真计算模拟。从改变容器的入口速度、盘管的入口速度、容器容积的大小与容器入口温度等初始条件的角度进行数值计算分析。通过计算分析可知:盘管的进出口温差随着容器的入口速度的增大平稳上升;盘管的进出口温差随着盘管入口的速度的增大先缓慢下降，再平稳上升，依照此规律逐渐变化。上述计算结果，可为以后有关盘管换热问题的计算具有指导意义。关键词

盘管换热

速度

温差文献标志码

仿真计算A

中图法分类号

TK172．4

盘管式换热器，是在螺旋板式换热器的基础上，进行了一系列的试验研究后，新研制的一种利用钢管代替钢板的新型结构。它既具有螺旋板式换热器的优点，且克服了螺旋板式换热器的许多不足。具有换热效率更高，可承受较高的工作压力和压差，且重量轻等优点。螺旋板式换热器属于冷热流体相互逆流且各自旋流的换热方式，为换热效果较理想的一种方式。螺旋板换热器是由冷、热媒进出口与螺旋式卷曲的换热板构成，在其结构中有冷媒、热媒两个螺旋通道，冷热媒间可逆流换热。管内宜通高温、高压流体，相应地管外宜通低压、低温的流体，该换热装置可用于气—气、液—液、气—液间的热交换

［1］

有指导意义。

1．1

Fluent对盘管换热仿真计算

盘管几何模型的建立

盘管换热器的主要部分是螺旋管与圆柱体，螺

旋管的高度为330mm，螺旋圈数为5，螺旋管半径为120mm，圆柱体的高度400mm，半径为150mm，模型以真实尺寸的十分之一建模

［2］

。

。本文是利用流体计算软件FLUENT

对盘管换热后容器内部的温度场、速度场、压力场的分布情况进行仿真计算模拟，从改变容器的入口速度、盘管的入口速度等初始条件的角度进行数值计算分析，最终通过计算分析可知容器和盘管的入口速度对容器和盘管的进出口温差的影响。通过本项目的研究，对以后有关盘管换热问题的学习具

2011年7月25日收到，8月5日修改第一作者简介:杨

晶(1970—)，女，黑龙江大庆人，副教授，东北

石油大学油气田开发专业博士研究生，研究方向:复杂流体计算及mail:zhangcuiting1984@163．com。多相管流。E-

图1导入到GAMBIT中的螺旋管模型

7794

科学技术与工程11卷

对于螺旋管的建模可以应用多种方法进行，这里采用AUTOCAD建模后将其生成为SAT格式导入GAMBIT的方法。导入到GAMBIT中的模型(见图1)。

在GAMBIT中得到螺旋管模型之后，可以应用GAMBIT的建模功能对螺旋管增加长度为400mm入口部分，画出入口段后对两个几何体进行并集运算即可得到整个包括入口段的螺旋管模型。

在GAMBIT中分别建立一个高为400mm，底面半径为150mm的圆柱体。一个方向为z轴的一个小圆柱体，并且复制一个沿Z轴同大小的圆柱体。将两个小圆柱移动成两个相对称的圆柱体，将大圆柱体与两个小圆柱体合并成一个整体，使两个小圆柱体成为容器的出口与入口，并且把将盘管与盘管壁分离开(见图2)

。

1．4选择计算模型选择Eulerian模型

［4］

，欧拉模型适合于多种多

相流动的数值模拟。在欧拉模型计算中，各种物相受到的背景压强是一样的，每种物相的动量方程和连续性方程都是单独求解，计算中可以针对每一种epsilonModel进行湍流计物相，或其混合物，采用K-算，得到的计算结果较准确

。

图3盘管换热器的网格分布图

1．5Fluent的计算设置求解器参数

操作:Solve→Controls→Solution…打开求解控制面板;

TurbulenceKineticEnergy、Turbu-将Momentum、

图2盘管换热器的三维立体模型图形

lenceDissipationRate设置为二阶精度类型，其余参数保持默认设置。将上述三个方程改为二阶精度可有效提高计算精度，对于梯度较大区域的计算更加准确。

求解初始化

操作:Solve→Initialize→Initialize…

打开求解初始化设置对话框，对入口进行初始化;

点击Init。设置监视窗口

操作:Solve→Monitors→…

设置残差曲线监视器对迭代结果进行监视;

1．2划分网格

GAMBIT提供了多种网格划分方式，结合螺旋

管和圆柱体的几何结构特点，选择了以Tet/HybridTgrid方法作为体网格划分方案，直接进行体网格划分(见图3)。1．3

边界条件的设定

FLUENT提供了更为全对于边界条件的定义，

面的定义方法，在GAMBIT中对边界条件的定义主要是定义边界条件的种类。此例中定义螺旋管和容器的入口为速度微入口边界条件，出口为自由出流边界条件，其余部分默认为固壁边界

［3］

。

31期杨晶，等:盘管换热的数值模拟7795

保存Case文件

操作:File→Write→Case…确认文件名后保存。

求解计算

操作:Solve→Iterate…在NumberofIterations

FLUENT开始计算。项填入200;点击Iterate按钮，

保存计算结果File→Write→Date…确认文件名后保存。(3)容器内速度矢量线分布云图(图6

)

2盘管换热的数值计算分析

(1)容器内温度分布云图(图4

)

图4容器内温度分布云图

(2)容器内压力分布云图(图5

)

3结果与分析

由数值分析所得出容器内的温度、压力、速度

矢量线分布图分析所得出的盘管换热的关系曲线

图5容器内压力分布云图(见图7—图10)。

7796科学技术与工程11卷

由图7可知容器的进出口温差随着容器的入口

速度的增大逐渐减小。

由图8可知盘管的进出口温差随着容器的入口

速度的增大平稳上升

。由图9可知容器的进出口温差随着盘管的入口速度的增加先平稳地增加，再缓慢地下降，依照此规律逐渐变化。由图10可知盘管的进出口温差随着盘管的入

口的速度的增大先缓慢下降，再平稳地上升，依照

此规律逐渐变化。

4结论

(1)容器的进出口温差随着容器的入口速度的

增大逐渐减小;随着盘管的入口速度的增大先平稳

地增加，再缓慢地下降，依照此规律逐渐变化。

(2)盘管的进出口温差随着容器的入口速度的

增大平稳上升;随着盘管的入口速度的增大先缓慢

下降，再平稳地上升，依照此规律逐渐变化。

参

1考文献2010;11:霍现霞，冯青秀．螺旋盘管式换热器．化学工程与装备，

29—31

2石惠娴，周云龙，王媛．螺旋管内气液两相流动特性的简化分

1998;6:25—29析．东北电力学报，

3吴峰．周期性边界条件下管道传热规律数值研究．油气储运，

敬，兰小平．FLUENT流体工程仿真计算实例与应2009;28(10):26—294韩占忠，王

2007用．北京:北京理工大学出版社，

NumericalSimulationofCoilHeatExchange

YANGJing1，ZHANGCui-ting1，YANGLin2，DAIShu-guang3

(NortheastPetroleumUniversity1，Daqing163318，P．R．China;StorageSalesBranchCompanyofDaqingOilfield2，Daqing163453，P．R．China;

SouthwestPetroleumUniversity3，Chongqing610500，P．R．China)

［Abstract］ApplicationofCADcoilheattransfermodelisestablish．FluidcalculationsoftwareFLUENTheattocoilafterthetemperatureinsidethecontainerfield;velocityfield;pressurefieldsimulationcalculationsimulationareused．Thecontainerfromchangespeedisentranced，Coil'sinletvelocity，containervolumewiththesizeofthecontainerssuchastheinlettemperatureinitialconditionstheAngleofnumericalanalysisarethroughcalculatedandanalysedknown．Coil'simportandexporttemperaturedifferencewiththeincreaseoftheinletvelocityofcontainerisrisedsteadily．Coil'simportandexporttemperaturedifferencewiththecoilthespeedofincreaseofentrancefirst

thenrosesteadily，inaccordancewiththislawchangesgradually．Thecalculationresults，forthecoilisslowdrop，

changedtothecalculationofsignificance．

［Keywords］plateheatexchangervelocitytemperaturedifferencethesimulationcalculation