复杂管状构件中流体的CFD数值模拟

复杂管状构件中流体的CFD数值模拟 翟俊霞1 ,3 涂善东2 (1南京工程学院基础部,江苏 南京210013 ,2华东理工大学机械工程学院,上海200237 3东南大学动力工程与工程热物理博士后流动站 ,江苏 南京210096) 摘要 以一种带内插件强化传热结构的炉管为例,应用计算流体动力学(CFD)技术,研究管中流体状态参数。使用目 前通用的专业CFD数值计算软件CFX4.3进行了管中流体的速度分布、 压力降的计算、 结果显示与分析。根据此方 法可研究不同结构尺寸、 形状、 不同流态下管中流体的参数,分析CFD结果,为生产中改善管内流体的传热、 改善流体 混合状态等提供技术支持。CFD数值模拟方法的使用表明,CFD方法可比实验室实验和工业实验提供更多、 更综合的 结果,具备更好的应用潜力,可以部分替代恶劣工况和复杂边界条件下的常规实验和工业试验。 关键词 计算流体动力学(CFD) 数值模拟 管状构件 速度 压力降 收稿日期:2005 - 06 - 09 基金项目:省教育厅自然科学研究计划资助,项目批准号03K JB130036 项目负责人:翟俊霞 作者简介:翟俊霞(1970 ) , 女,博士,讲师,研究方向:计算流体动力学、 强化传热和先进制造技术等。 Application of Computational Fluid Dynamics in Numerical Simulations of Fluid Flow in Complicated Tube - type Components Zhai Junxia1 ,3 TU Shahdong2 (lDepartment of Basic Courses , Nanjing Institute of Engineering ,Jiangsu Nanjing 210013) (2School of Mechanical Engineering , East China University of Science and Technology , Shanghai 200237) (3Southeast University Postdoctoral Station ,Jiangsu Nanjng 210096) Abstract Tube - type components are widely used in power plants , the petrochemical and architecture industries. This paper focused on the computational simulations of fluids in those tube - type components. A furnace tube with an in2 serted inner - units is taken as a case in the paper. CFD method is employed to illustrated and analyzed the velocity , pres2 sure drop of fluids in the tubes by a commercial software package CFX- 4.3. Fluids parameters indifferent tube - type com2 ponents on shape and size can be provided by the CFD method , both in seminar fluids and turbulent fluids. Therefore modi2 fication for heat and mixing enhancement can be taken according to the CFD results above. The investigation of this paper on CFD simulation indicates that CFD gives more comprehensive results that industry experiments. So that CFD meets a brighter future in applications , by which can partly take place the experiments in lab and industries. Keywords Computational Fluid Dynamics(CFD) Numerical Simulation Tube - type Components Velocity Pressure Drop 计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics , CFD) 从上世纪60年代出现以来,已在航空航天、 自 动设计等方面广泛应用。商用计算软件繁荣了CFD 的应用,CFD专业软件包能够求解原先手工计算和理 论计算不能求解的复杂问题,例如模拟复杂的燃烧器 工作1、 高温发动机的传热2、 锅炉过热器模拟3、 混 合器中的流体模拟4 ,5等。目前的CFD商用计算机 软件,提供可用于复杂外形的可靠和实用的网格生成 技术,增加了前、 后处理功能,网格能自动生成或分 割,而且其相关技术如CFD可视化技术6,包括计算 6 第19卷第9期 2005年9月 化工时刊 Chemical Industry Times Vol. 19 ,No. 9 Sep. 9. 2005 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 过程、 结果的显示、 辨识、 分析、 数据比较等都已经方 便地实现7、 8。对于复杂的管状构件中的湍流流动 , CFD是求解这类非线性问题的数值解法的一种有用 的工具9、 10。 管式工业炉、 化工管式炉、 电厂锅炉在许多工厂 和生产过程中,都作为核心设备,支配着整个工厂或 装置的产品质量、 能耗、 操作周期。在上述设备中,管 状构件应用非常广泛11。管中流体的状态参数是生 产设备紧凑化、 管路系统的安全、 高效工作的依据。 例如常需要测得管中流体的速度分布、 压力降等数 据。由于相当多的实际操作处于高温、 高压、 腐蚀等 恶劣环境下,对管内流体的研究大多是从实验研究入 手,所以常常需要进行相似研究处理,根据低温、 低 压、 小尺寸相似装置的流体力学参数测量,外推到实 际工况下的流体参数。由于结构尺寸、 形状、 应用场 所的不同,每一个研究条件的更改都需要对相似模型 做很大的更改或者改变实验方法,实验次数多而昂 贵。而且因为实际操作的复杂性,相似实验模型的研 究常常与实际情况差距较大,甚至常需要更正错误的 结果,而大大加大了流体实验研究的工作量,所以计 算流体动力学(Computational Fluid Dynamics ,CFD)数 值模拟方法在该种情况下显得非常有益。应用计算 力学可以进行数值试验,从计算机得到的活化响应图 像来模拟真实结构在真实实验室环境条件下观测到 的响应。通过数值试验,用数字计算机上的数值计算 来代替一部分常规的验证性试验和小部分研究性试 验。 1管状构件中流体数值模拟过程举例 CFD数值模拟计算可为许多操作提供关键的技 术支持。例如为了强化炉管传热,在炉管中安装扰流 元件,强迫管中流体产生剪切、 旋转,破坏流体边界 层。该方法使炉管结构产生变化,流体被扰动程度与 炉管结构尺寸、 流动状态、 流体物性等密切相关。强 化传热效果、 对压力降的影响、 流体在管中的温升、 停 留时间(可影响管内结焦和化学反应终产物成分等) 发生的变化,实验方法研究困难很大,或成本过高,或 难度很大甚至无法用实验方法得到结果,而可以通过 CFD数值模拟计算获得。 以某厂正在工作的化工管式炉为例,该炉炉管为 圆管,有3种规格: 表1 某工业炉炉管的设计参数 管程数管数炉管规格/ nm炉管长度/ nm受热面积/ m2设计压力/MPa设计温度/ 设计寿命/ h 第一程2476.2(76)6.4(6)13 762/ 13 54176.5 第二程12101.6(102.8)6.4(6)12 228/ 12 44853.1 第三程6159(162)6.4(8)12 75085.30.21 061.5100 000 第四程6159(162)6.4(8)14 901 除此之外,还应考虑管内壁粗糙度、 流体的物性 参数,等、 操作工艺控制参数 T, P等。为了强化 炉管传热,管内设置扰流元件,元件形状如图1。对 于安装扰流元件的管内流体的速度、 压力降测量,难 度较大,而且元件的安装位置、 几何尺寸、 安装方向等 也应考虑。这样,实验测量的次数将达到上万次,其 昂贵的代价令实验测试几乎不可能。即使根据研究 相似条件和对象,对这些参数进行简化,使实验次数 缩减为数100次或者主要实验数10次,也仍然消耗 大量的人力、 物力和财力。但简化后的实验计划如果 用CFD数值模拟计算代替,则成为可以实施的12。 根据工业炉的工作条件,简化出的一次数值计算参数 如表2。 图1 强化传热元件造型图 (2 个扰流元件) 7 翟俊霞等 复杂管状构件中流体的CFD数值模拟 20051Vol119 ,No19 化工时刊 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 表2 数值模拟计算参数表 参数数值 管子内径d = 64 mm 扰流元件高/径比=L/d= 2.5 扰流元件下游计算段长度L= 4 000 mm 流体状态气态 轴向来流速度W= 75 m/ s 环境参考温度T= 293 K 扰流元件厚度6.4 mm 选择CFD专业软件包CFX4. 3进行CFD数值 模拟计算。CFX4.3是英国ATE(英国原子能机构) 公司开发的CFD软件,近年来在电力、 化工、 航空等 领域有较多应用成功案例13。在CFX4. 3环境下 造型流体模型,采用网格优化技巧划分有限差分计算 网格12,进行CFD数值模拟计算。划分后的部分网 格示例如图2。 2数值模拟结果 根据简化计算条件和物理边界条件,选择合适的 流体模型进行CFD数值计算。考虑到本文的计算案 例中流体状态与流体参数,选择湍流模型k 两方 程湍流模型14,进行含扰流元件管内流体的数值计 算。对于比较关注的流体速度和压力降,分别摘取下 述结果分析: 2. 1 流体速度分布CFD模拟 本文的计算案例要计算扰流元件对边界层的破 坏情况,因此在扰流元件下游摘取若干横截面,对比 其速度分布。见图3。 图2 CFD计算生成网络 图3 模型的CFD计算结果 ,(a) 为扰流元件 下游2d距离处管内流体速度分布图 ;(b) 为 (a)的斜向视图 ;(c) 、(d)、(e)为元件下游 不同距离处横截面上的速度分布比较 从图3的流体速度分布来看,流体在经过扰流元 件后,流体被强行扰动,速度分布在扰流元件下游近 距离处十分紊乱,管壁面附近流体的速度不再呈现迅 速减小趋势,在许多截面上流体在壁面的速度仍然较 大,因此流体边界层得到有效破坏,验证了扰流元件 的作用效果。 进一步计算流体在壁面附近速度的变化。计算 流体在不安装扰流元件和安装扰流元件时速度的分 布,进行对比分析。例如分别计算管中心轴线上和管 壁面附近一条线上流体的速度分布,进行对比。计算 结果表明,流体在经过扰流元件扰动后,壁面附近的 流体速度仍然保持比较大的数值,因此对边界层的破 坏起明显作用,没有扰流元件时流体在壁面附近的速 度与中心轴线上速度差别较大。 2. 2 流体压力降模拟结果 图4 含扰流元件的管内流体压力降曲线 扰流元件在扰流的同时,使流体阻力增加,压力 降提高。因此在工业应用中需要校核其压力降在不 在工艺许可范围内。为此分析CFD数值计算结果中 的压力曲线,见图4。(下转第28页) 8 化工时刊 20051Vol119 ,No19 科技进展 Advances Science (2) 在电力、 化工、 航空等常需处理恶劣工况和复杂 条件时,常规测试和工业实验实施困难,CFD数值模 拟方法具备较好的应用潜力,通过简化和组织CFD数 值试验的方法进行常规实验的替代研究是可行的,可 以替代部分实验,节约人力、 物力和财力。 参考文献 1 Chapman , P. Public Works 1996 , 127(2) : 5051. 2 JenningsmJ , Morel T, Wahlduzzaman S, Ng H. ProceedingsSocietyof Automotive Engineers , 1991 , P - 243: 405416. 3 Kawaji M, Shen X H, Tran H, Esaki S, Dees C. TAPP1 Journal , 1995 , 78(10) : 214221. 4 Khakhar D V , Franjione J G, Ottino J M. Chem. Engng. 1987 , Sci. 42: 29092926. 5 Fradette L , Li H Z, ChoplinL. Computers Chemical Engineering. 1998 , 22(Supp 1. ) : S759S761. 6 Sciubba E. Mechanical E