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管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究 摘要 换热器是各种具有热能行业中应用最为广泛的设备之一，往往占设备总投资的很大 一部分。而诸多换热设备中，管壳式换热器为最常用的换热设备结构形式。目前将近一 半的换热器壳侧均存在两相流动及相变传热。由于两相流动具有很大的随机性，使得壳 侧的传热系数与压降的变化存在着较大的不可预测性。因而，对换热器壳侧相变传热及 两相流动对设备性能的影响的研究，对改善换热设备性能，提高换热效率有着重要的意 义。 论文采用数值模拟方法，使用c f d 软件f l u e n t 对管壳式换热器壳侧按两种不同 的流体介质的两相流动及相变传热进行了模拟计算，一种为流体为高温饱和水蒸汽；另 一种为低温冷却水。根据壳侧流体流动特点，选定合适的湍流模型、两相流模型为混合 物模型，并根据汽水转化公式编写了自定义函数u d f 来描述相变过程质和量的传递。 根据相变换热的计算公式计算所得结果与模拟结果进行对比，证实所建立物理模型及所 选用的计算模型的可行性与准确性。分别研究两种情况下，壳侧各流场的分布情况及不 同的入口介质参数对换热器壳侧传热系数及压降的影响规律。通过模拟结果对比得出壳 侧总的换热量相同的情况下，流体介质为水蒸汽( 换热方式为冷凝相变) 工况与流体介 质为冷却水( 换热方式为沸腾相变) 工况对换热器壳侧换热性能的影响不同，前者的单 位压降下的传热系数为后者的2 9 倍。 论文研究了管壳式换热器壳侧流场特点及其对换热效果的影响，为类似换热器性能 的改善提供了有价值的参考。并根据不同的传热系数及压强分布情况，对换热器壳侧流 动介质进行合理的选择起到指导作用。 关键词：管壳式换热器；气液两相流；相变传热；数值模拟 管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究 a b s t r a c t h e a te x c h a n g e rr e q u i r i n gal a r g ei n v e s t m e n th a sb e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h er e l a t i v e a r e a sa n dt h es h e l l a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r ，b yi t su n i q u em e r i t s ，b e c a m eo n eo ft h em o s t c o m m o nh e a te x c h a n g ee q u i p m e n t h o w e v e r , a l m o s tah a l fa ts h e l l s i d ei nh e a te x c h a n g e r s c h a r a c t e r i z et w o - p h a s ef l o wa n dp h a s ec h a n g ea n dh e a tt r a n s f e r , a n dt h er a n d o m n e s so f t w o - p h a s ef l o wm a k e si t sh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h ep r e s s u r ed r o pa tt h es h e l l - s i d e u n p r e d i c t a b l e t h es t u d yo nt h et w o - p h a s ef l o wa n dh e a tt r a n s f e ro ft h ee q u i p m e n t si so fv i t a l s i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fe x c h a n g i n gh e a t n u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d sa r ea d o p t e di n t h i sp a p e r w i t ht h eh e l po fc f da n d f l u e n ts o f t w a r e ，t h ep a p e rs t i m u l a t e st h et w o p h a s ef l o wa n dp h a s ec h a n g ea n dh e a t t r a n s f e rb yu s i n gd i f f e r e n tm e d i af l u i d s ，o n eo fw h i c hi st h es a t u r a t e ds t e a ma n da n o t h e ri s c o o l i n gw a t e r b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h e l l s i d ei nt h es h e l l - a n d - t u b eh e a te x c h a n g e r s ， t h ep a p e rw r i t e su s e r - d e f i n e df u n c t i o n ( u d f ) t od e s c r i b et h ep h a s et r a n s i t i o no fq u a l i t ya n d q u a n t i t yt h r o u g ht h eu s e o ft h ec o n v e r s i o nf o r m u l a at u r b u l e n c em o d e la n da t w o - p h a s ef l o w m o d e la r es e l e c t e di nt h i s e x p e r i m e n t c o m p a r e d t h er e s u l t sf r o mf o r m u l aa n d n u m e r i c a l - s i m u l a t i o nd a t e ，t h er e s u l tv a l i d a t e st h a tt h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo fs e l e c t e d m o d e l b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n di t sp r e s s u r e ，t h ep a p e r d r a w st h ec o n c l u s i o nt h a tt h ee f f e c t so nt h eh e a te x c h a n g e ro fs h e l l - s i d eo fs h e l l a n d t u b eh e a t e x c h a n g e ra r ed i f f e r e n tb yu s i n gv a p o r ( c o n d e n s a t i o nh e a tt r a n s f e r ) a n dc o o l i n gw a t e r ( b o i l i n g h e a tt r a n s f e r ) a sd i f f e r e n tm e d i a , t h eh e a tc o e f f i c i e n ti nt h ev a p o rc a nb e2 9t i m e st h a ti nt h e c o o l i n gw a t e r t h i ss t u d ys h o w st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef l o wf i e l d so fs h e l l - s i d ei ns h e l l a n d t u b e h e a te x c h a n g e ra n di t se f f e c t so nt h eh e a te x c h a n g e ，a n dt h e s ew i l lb ep r o v i d e ds o m ev a l u a b l e r e f e r e n c e sf o rt h ei m p r o v e m e n to ft u b eh e a te x c h a n g e r s a n a l y z i n gt h er e s u l t sf r o mt h eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，t h es t u d yi so fg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h e r e a s o n a b l es e l e c t i o no ft h ef l o wm e d i u ma ts h e l l s i d ei ns h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r s k e yw o r d s ：s h e l l a n d t u b eh e a te x c h a n g e r ；g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ；p h a s ec h a n g ea n d h e a te x c h a n g e ；n u m e r i c a l - s i m u l a t i o n 第l 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 第1 章绪论 热能是人类利用自然界能源资源最主要的一种能量形式。随着现代科学技术的飞速 发展，在动力机械、能源、化工、冶金、建筑、机械制造、电子、生命科学、航空航天、 农业及环境保护等领域，都存在诸多的热量传递问题。我国能源资源及生产总量丰富， 但人均不可再生能源占有量如煤，石油，天然气等却远远低于世界平均水平，同时，我 国目前相当多的主要工业产品的单位产值能耗却是发达国家的数倍。这就使得我国能源 供需矛盾十分突出，我国国民经济必须走可持续发展的道路，合理用能与节约能源既是 当务之急，也是长久之计。 在全世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大力寻找新的能源及在节约能源上研 究新途径。换热器在工，农业的各领域如石油、化工、石油化工、冶金、电力、轻工食 品等行业应用十分广泛，在日常生活中也随处可见，是一种实现物料之间热量传递的节 能设备。因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高度重视，在化工厂中， 换热器的投资占总投资的1 0 一2 0 ；在炼油厂中，该项投资约占总投资的3 5 - 4 0 。 某些特殊的需要高温高压的场合，所需换热器设备占有的投资占5 0 以上q 。可见换热 器在提高企业资金，能源和空间的节约等问题上至关重要。 目前，在需要进行热交热的工厂中的诸多换热设备中，应用最多的是管壳式换热器。 由于管壳式换热器有着制造容易，生产成本低，选择材料范围广，清洗方便，结构坚固， 适应性强，处理量大，工作可靠，且能够适应高温高压等诸多优点，已成为目前热力系 统中最为常用的换热设备结构形式p ，。 多相流广阔存在于自然界及工程流动领域中，在化工、制冷、石油、冶金、水利、 等工业中都有广泛的应用。特别是在像锅炉设备、电站、动力站等大量产热的工业中， 更是存在大量的两相流体的流动与传热问题，而且其对换热制备的影响也是至关重要 的。如换热器传热过程中过热饱和水蒸汽遇冷相变液化成水或低温的冷凝水遇热汽化成 水蒸汽，无论在换热器的壳侧还是管侧都大量存在着蒸汽与水的两相流动，且在两相共 同存在的情况下，换热系数往往比单相流体传热情况下要大很多。特别是在壳侧由于壳 侧特殊复杂的物理结构，使得流体在流动的时候，受到折流板或壳壁的挤压与碰撞，使 得两相流动变得更加复杂，进而对气液两相间的物理化学相互作用又有着很大的影响。 两相流流动时大多为湍流流动，所以其流动又有着一定的随机性，因而对壳侧的压强变 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 化及自身的传热系数的变化都是复杂多变的且有着很大的不可预测性，所以对于管壳式 换热器壳侧两相流流动与传质传热的研究对节约能源、操作费用、提高换热效率等有着 重大的意义。 在当前国家能源供应十分紧张的情况下，如何提高能源的利用率，使企业成本降低， 效益提高，成为了非常重要的问题，提高管壳式换热器的及两相流流动传热的传热特性， 进行强化传热技术的研究己成为节能降耗工作中的非常重要的一项内容。随着研究的深 入与完善，必将为国民经济建设带来巨大的经济和社会效益。 1 2 管壳式换热器的研究发展情况 传热学的基本原理虽然已经形成了近一个世纪，但至今仍是科学技术中十分重要的 学科川。传热学典型的应用管壳式换热器的应用同样有着悠久的历史，但迄今仍被当作 一种传统的标准换热设备而在许多工业部门中大量应用。其按不同的用途，可分做无相 变进行热交换的换热器和有相变进行热交换的重沸器和冷凝器。 1 2 1管壳式换热器的国外研究发展情况 管壳式换热器思想最早形成于2 0 世纪初闭，为了满足一些在高压等特殊操作环境下 如电厂、锅炉厂等大型换热器而研发设计的。为了增加传统的管壳式换热器的换热效率， 进而开发出了强化传热的如挡板式换热器，提高了传热效果，可是传统的管壳式换热器 的结构采用的是单弓形折流板与光滑圆管，所以当流体在壳侧流动时，却存在着转折和 进出口两端涡流的停滞区，形成“传热死区”，这一问题对壳侧的传热系数有着很大的 影响，降低了换热器的传热效率，且有很大的流动阻力，容易损坏换热器。 为了改善这一不理想的流动情况，世界各国都在致力研究新型的纵流壳程换热器， 目的就是为了改变传统流动方式带来的阻力大，传热死区大等不良影响。自2 0 世纪7 0 年代世界能源危机爆发以来，对传统的换热设备的强化传热研究逐渐兴起，主要集中在 两在方向上： 一是开发新品种的换热器，如螺旋板式、板翅式、螺旋管式等，其目的都是尽可能 提高换热器的紧凑度和换热效率为设计思想，提高换热设备的换热效率，达到节能减排 的目的。 二是对传统的管壳式换热器进行强化传热的研究，是指用各种其它类型的强化管化 替原来的光管，如横纹管、螺纹管或管壁上加槽等，或在管内加入扰流物叫。美国p h i l l i p s 石油公司u 哪于2 0 世纪7 0 年代开发出了折流杆换热器，这种换热器是纵流壳程换热器中 2 第1 章绪论 典型的一种，利用折流栅代替折流板，所产生的自由流道使壳程流体由横向流变为平行 于管理轴向的纵向流，使管程与壳程的流体之间承逆向流动，增大了有效温差，提高了 传热效率，并同时有效的防止了液体诱导振动，而且大大减少了壳程流体流动的阻力， 克服了传统强化传热的缺点。随后国外很多研究机构又对纵流壳程换热器进行了大量的 研究，并研发出多种新型的管束支撑，均有很好的提高换热效率的效果。 近几十年来，随着工业需求的不断扩大，因而对换热器结构及其性能都有了更高的 要求。由于换热器结构固有的复杂性，以往的理论研究早已满足不了应用的需求，而以 往对换热器的研究和开发都依据实验的方法以，以理论为基础，测得数据，再推出其流 动与传热的关系式。实验方法虽有其优点，但受到其条件，换热器结构，实验周期，费 用等许多因素的制约，而且难以得到详细的流场和温度场。随着对换热器要求的不断发 展，以前单一的实验研究方法显得非常不足。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子计算机 技术的发展，越来越多的数值模拟技术应用于换热器的传热研究，比起实验研究的方法， 数值模拟的方法有着很多突出的优点：使用方便，灵活。不需要真实的实验场地，研究 周期较短，而且容易模拟较复杂或较理想的工况，通过分析软件可以得到流体的流动分 布场，温度场及速度矢量场等，使的对换热器及其传热的研究更加清醒明了，且更加方 便快捷。因此有效合理的利用数值模拟的研究，是推动换热器流动和传热研究的进一步 发展h 习。管壳式换热器壳侧流场是一个复杂的三维流动过程，因而国内外大多数的研究 都是主要针对壳侧的流场。早期的数值模拟还比较简单，包括稳态模拟和动态模拟，需 要建立在实验研究确定传热系数和流体流动阻力的基础上，也就是只能用于已有的换热 器的设计模拟计算。随着计算流体力学c f d 的发展，使得对换热器的数值模拟研究又 进入到了一个新的阶段。 英国的学者s v p a t a n k a rd b s p a l d i n g n 习于1 9 7 4 年首次提出应用计算流体力学c f d 对管壳式换热器进行数值模拟研究，他们把管壳式换热器的壳程作为研究对象，采用多 孔介质及分布阻力的方法，对壳侧流场进行了数值模拟研究，为以后的研究打下了基础。 w t s h a n q 在前者研究的基础上提出表面渗透度的观点，并对换热器壳侧流动情 况及特点进行了二维数值模拟，与实验进行了对比，取得了很好的效果。 加拿大的c z h a n g m l 等引用容积多孔度的概念，对冷凝器进行了数值模拟的研究， 应用有限体积算法对其建立的控制微分方程进行求解，模拟结果与实验结果吻合良好。 几年后，其又对电厂蒸汽冷凝器做了数值模拟计算n q ，也得到了较理想的模拟结果。 m p r i t h i v i r a j 和m j a n d r e w s n l 用三维、同体坐标控制容积技术及分布阻力，体积多 孔度的物理模型对弓形折流板管壳式换热器壳程的流动及传热进行了模拟，得到了修正 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 的k 一模型对湍流模拟的影响，并根据物理模型建立了数学模型。 1 2 2 管壳式换热器的国内研究发展情况 国内对管壳式换热器的研究工作情况相对国外已取得的大量的研究成果，则算是晚 一些。近年来，在国外已得成果或前有的经验基础上，也进了一些探索，进而取得了一 些成果。 我国于2 0 世纪8 0 9 0 年代为了提高换热效率也对纵流式管束支撑物，折流杆，空 心环1 q 等进行了开发与研究，有效的促进了湍流和壳程的强化传热。郑州大学热能工程 研究中心从1 9 8 6 年开始研究纵流壳程换热器，在以往的经验基础上，对传统的管壳式 换热器进行了系统优化与改进，研究设计出出杆圈支撑壳程，变截面导流简与三元件组 合等的新结构l 栩。华南理工大学化机所提出了一种螺旋折流片式换热器，以代替螺旋折 流板式的结构，并对螺旋翅片管进行改进，改进后的翅片管壳侧的传热系数较光管的传 热系数有了很大的提高，达到了强化传热的效剁明。国内较早研究螺旋折流板的陈世醒 例提出了一种壳程形似螺旋面，折流板周边呈螺旋线的新型特殊形式的螺旋折流板，使 同样传热系数的情况下，压降很小，使得换热器的传热效率和阻力综合的性能有了很大 的提高。 2 0 0 0 年，上海交通大学的黄兴华弘1 1 建立了管壳式换热器壳侧紊流流动的三维数值模 型，对壳侧流体流动及传热进行了研究，并充分考虑固体壁面的影响，很好的预测了壳 侧的压力分布，首次采用分布阻力的方法对气液两相分别建立控制方程组，用修正的 k 一模型对电站换热器进行了数值模拟，研究了其不同情况下对换热器壳侧压降，换热 系数等分布的影响，根据模拟结果与实验数据进行的对比，为选取合适的分布阻力关系 式提供了依据。结果为今后的进一步研究提供了基础。 2 0 0 5 年，东南大学的梅娜嘲等人，针对管壳式换热器壳侧传热的强化提出了新的方 案，在部分换热管上套上螺旋折流片，用来产生涡旋流场来起到强化传热的作用，同时 对管子起到了支撑的作用。并用f l u e n t 软件对换热器的壳侧流场，温度场进行了数 值模拟，结果表明流场在局部的涡旋扰动下使温度场均匀，达到了强化传热的效果，并 针对不同螺旋角的螺旋片来讨论了相关阻力性能的影响，为以后的螺旋折流片换热器的 模拟计算打下了基础。 2 0 0 6 年，郑州大学热能工程研究中心的刘敏珊，董其伍吲等人，使用f l u e n t 软 件，通过在多孔介质计算模型和阻力经验公式，对单弓形折流板换热器的壳侧流场进行 了三维的数值模拟研究，结果与实验结果较吻合，并在此基础上通过对原有模型进行了 4 第1 章绪论 增加折流板的缺口高度的方法改善了折流板换热器壳程存在的压降大，存在传热死区等 缺点。同时再加入分隔板的改进，并对增加前后进行了数值模拟的对比，结果证实所做 的改进有效的减小了壳程压降的损耗，减小了死区范围，还提高了管束的抗诱导振动的 性能。 2 0 0 6 年，武汉工程大学机械工程学院的熊智强阻1 等人在计算流体力学理论的基础 上，对不同的流动介质水和空气分别用标准卜e 模型，l v e l 模型对管壳式换器进行了 数值模拟，并对模拟结果入口和出口的流动方向，速度进行了对比，结果证明二者的模 型模拟出的流场基本一致，l v e l 模型对于管壳式换器的模拟非常的适用，是一种较好 的选择。 2 0 0 6 年郑州大学化工学院的刘利平、黄万年瞄1 在基于前者的研究，并修正h 模型 和壁面函数，采用多孔介质模型与分布阻力模型简化计算，针对管壳式换热器的壳侧流 体介质不同初速下对速度场，温度场和压力场的影响，用f l u e n t 软件进行了流体的 流动与传热的三维数值模拟。得到了压力场，速度矢量场，温度分布场等的分布图，其 模拟结果与实验结果吻合，证明了计算模型的合适性，得到了有参考价值的结论： 2 0 0 9 年，华南理工大学和化工机械研究所的谢洪虎、江楠闭根据壳程不同的流体流 速，用f l u e n t 软件对纵向多螺旋流管壳式换热器壳程流体的湍流流动及其换热情况 进行了三维的数值模拟，根据对其模拟结果的速度矢量图，温度矢量图，壳侧传热膜系 数的分布变化，对换热器壳侧的湍流流动，强化传热和压降等情况进行了讨论，且模拟 结果与实验结果相吻合较好，分析了此种换热器的诸多优点，得出纵向多螺旋流管壳式 换热器拥有广阔的前景。 2 0 0 9 年，郑州大学热能工程研究中心的董其伍、谢建吲等人用f l u e n t 软件对折 流板换热器壳侧在相同的边界条件下，采用标准壁面函数、非平衡壁面函数和增强壁面 函数三种不同的壁面函数进行了湍流工况的数值模拟，模拟结果得出了其流动及传热特 性的变化情况，并与实验结果进行对比，表明不同的壁面选择方法，对计算结果是有影 响的。其中效果最理想，最接近实验结果的壁面处理方法是增强壁面函数法，为以后进 一步的数值模拟打下了基础。 以上的研究虽然对换热器壳侧流体的流动情况及传热特点取得了较多的研究成果， 但研究大都是基于换热器中的蒸汽为不凝性气体或单相流而进行的，据统计数字表明， 在工业用途中的换热器有近5 0 的换热器均在壳侧存在两相流动及相变传热，且对换热 器本身的传热效率及使用寿命等有着至关重要的影响闭。所以对换热器或冷凝器中两相 流的研究，在使相变传热过程安全，节能及提高换热效率中显得特别重要，也是换热器 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 今后发展研究的一个大趋热。 1 3 管壳式换热器两相流及相变传热工况研究 1 3 1换热器相变传热的应用与研究进展 相变传热的换热器在工业、商业、农业各领域也有着广泛的应用，其工况主要分为 两类：一类是冷却液和冷凝产物由换热管管壁等固体表面分开；另一类是把要冷凝的蒸 汽和冷却液体直接接触。冷凝换热器的发展研究是随着换热器的发展与研究而进行的。 而其真正的数值模拟研究是从二十世纪六、七十年代由p a t a n k 一”1 对管壳式换热器提出 分布阻力的数值模拟方法才开始发展的，b c c k c t t 网对冷凝换热器进行了二维的数值模 拟，并根据数值模拟的结果对换热器进行了结构的优化的研究。a i s a n e a 闭，o r m i s t o n ( 3 ， z h a r l g 3 2 等人随后也都分别对冷凝换热器进行了数值模拟的研究。 国内的姚秀平网，张莉，黄兴华1 3 4 1 等也对冷凝换热器进行了数值模拟的研究，并根 据模拟的结果提出了改进方案。谷波、郑钢、裴勇华l 列等在理论上建立数学模型对低螺 纹管单管和管簇进行了冷凝传热的分析，定量分析了传热系数，温度等参数之间的关系， 并得出了低螺纹管管簇的平均冷凝传热系数与管列数和管排数之间的关系式，对管壳式 冷凝换热器的优化设计有着重要的理论价值。西安交通大学的张兴群p q 等对平行流式冷 凝器进行了理论和试验的分析，分析了影响传热效果的因素，并提出了优化其热力性能 的方法。中国船舶重工集团第七零四研究所的黎立新、季建刚、倪海印1 等人研究设计了 通过计算可以迅速完成传热面积和换热管布置计算的适合多种管型的管壳式冷凝器传 热设计的计算软件，可提高对冷凝换热器的设计效率。吴值仁、吴值融网对中海油某浮 式生产储油轮上水冷空调机中的冷凝器进行了试验研究，比较了相同换热面积，相同冷 却水进口温度条件下两种结构的冷凝换热器的换热效果，其结果与理论计算结果相近。 哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司的郑殿锋p 1 对大型电站冷凝器用有限元及流场分析 软件进行了内部流场和强度的模拟与分析，为以后的设计提供了新思路。 1 3 2 换热器两相流的应用与研究进展 在能源、动力、化工、核能、制冷、航天、冶金等诸多工业中，气液两相流及其相 变传热都是一门热门及重要的学科。而且其中很多重要的过程都涉及两相流流动，相变 及其传热过程。如电站动力循环中冷却水的沸腾及水蒸汽的冷凝，制冷空调及众多的制 冷设备中的冷凝和蒸发。且近年来相变换热技术在许多高科技领域中也有了重要的应 6 第l 章绪论 用。 如航天工程中的微重力条件下的相变换热，微电子元件强化冷却微槽道中的相变换 热，制冷剂混合工质的沸腾及冷凝换热，及各核电站、火力发电站中的各种换热器、冷 凝器。而相变过程由于诸多的影响因素，且无法对壁面状态准确定量描述，使得其换热 过程的物理机制非常复杂，相变传热主要分为液体汽化的沸腾传热和蒸汽遇冷发生凝 结，释放潜热的冷凝传热。 两相流这一术语最早于2 0 世纪3 0 年代首先出现在美国的一些研究生论文中，而于 二十世纪四十年代苏联首先将这一术语应用于正式的出版学术刊物上后才开始对其进 行系统的分析与研究。气液两相流流动中，由于气液两相流速相对是不同的，而且流动 的样式也是多样的，所以很难清楚明白的描述其具体的流动状况及相变传热过程中压力 等变化，导致传热恶化，设备损坏等情况。自1 8 世纪瓦特发明蒸汽机以来，因为缺乏 气液两相流及相变传热方面相关的知识，发生过不少的工业事故，也促进了科学家们对 其的重视及研究。随着学者日益发现它的重要性，国外很多国家陆续形成了许多多相流 研究中心对其进行分析及实验研究，美国与前苏联和欧洲的许多大学于2 0 世纪2 0 年代 就开始了气液两相流的研究，并与阿贡国家实验室联合成立了多相流研究所。日本也于 2 0 世纪5 0 年代开始了两相流的研究。我国比起国外稍晚一些嗍，国内最早为西安交通 大学于2 0 世纪6 0 年代开展了多相流相关的研究工作。2 0 世纪8 0 年代后，其它高校和 一些研究所先后展开了对多相流及其相变换热的研究。 2 0 0 1 年西安交通大学的曾艳、高原等人阻1 对两相流的定义及相关参数做了说明，且 详细的介绍了两相流的流型，及两相流在蒸发器，冷凝器等制冷部件中的数学模型及换 热计算，分析了不同设备中两相流各自的特点，讨论了分相模型和均相模型不同的求解 方法及方程的应用。 2 0 0 2 年上海交通大学的黄兴华、陆震同等对电站冷凝器壳侧气液两相流动和传热情 况进行了数值模拟，采用分布阻力法建立气液两相的控制方程组，对n 1 1 2 2 0 - 1 型冷凝 器进行了准三维的数值分析，并将模拟结果与单相模型的结果进行对比，结果得出由于 壳侧集水板的作用，管束中液相对冷凝器整体性能的影响不大，但在底部管束中，传热 性能效果非常明显。并把之与实验数据进行对比，数据吻合良好。 2 0 0 3 年周伟等m 根据水水热泵机组冷凝换热器建出了稳态仿真的模型，根据制 冷剂可能存在的不同状态，将传热区分为过热区，两相区和过冷区三个不同的区，根据 热量平衡计算出传热面积，并研究了如冷却水入口温度，水流量等参数变化情况下对其 模拟结果的影响，并得出了入口压力与入口最佳流量的关系。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 0 0 4 年上海电力学院动力工程系的陈达卫等人m 对双弓形折流板式的t e m a - f 型 管壳式换热器进行建模，并对壳侧甘油的水溶液与空气的混合物为流动工质的两相流换 热系数的特性进行了试验研究，并提出了理论预测模型，把用于计算壳侧单相全液换热 系数的加强模型延伸到不互溶双组分气液两相流在环状流时换热的预测，预测值与试验 值吻合良好。 2 0 0 6 年西安交通大学和河南科技大学的吕彦力，孙启鹏、陶文铨等人嗍对管壳式换 热器的壳侧旁路对气液两相流体流动特性的影响进行了试验研究，建立了错流区分相流 动模型，分析了主流路与旁路中气液的分布情况，得出了不同流型情况下，气液相占总 流量比例不同的结论。 2 0 0 7 年天津大学的聂清德等人嗍对冷凝器中两相流流动状态下的引起的振动情况， 根据两相流流体诱发振动的机理与相关分式，对其进行了分析，结果表明横流速度是影 响管子振动的关键因素。并得了出临界流速，同样条件下双弓形折流板的横流速度较单 弓形减少了一半，通过对比，证明其对有效合理的预防诱发振动起到了有效的作用。 2 0 0 9 年哈尔滨工业大学的许佳伟等人m 对管壳式换热器内部的汽水两相流场用 f l u e n t 软件进行了数值模拟。针对结果中出现在的气相集中在换热器上部的情况，做 出分析，在顶部高温段加绝热套管，对其进行改善，其结果的换热性能较原来明显提高， 此研究结果有助于对管壳式换热器内部流动情况的认识，并为以后的结构优化有了参 考。 1 4 论文主要工作内容 论文使用计算流体力学c f d 软件f l u e n t 对管壳式弓形折流板换热器进行三维的 结构建模，分别对壳程流动介质：一种为高温饱和水蒸汽( 其换热过程为冷凝相变换热) 和另一种流动介质为冷却水( 其换热过程为沸腾相变换热) 两种情况对壳侧的两相流流 场及传热进行模拟仿真，得到换热器壳程流动及换热过程的直观信息，以确定特殊的换 热情况下壳程的合理流动介质，为今后换热器结构设计及流体介质选择打下基础。 论文主要工作如下： ( 1 ) 对研究问题进行合理的物理建模、计算模型的选择及边界条件的设置。并将 模拟结果与经验公式计算所得数据进行对比，以验证数值模拟方法中对问题所选模型的 有效性及相关设置的可行性与准确性。 ( 2 ) 通过对壳侧模拟结果的压力场、温度场、速度场及相变流体分布场的流场特 点分析，得出流体在壳侧的流动及换热规律。分别对冷凝相变换热和沸腾相变换热两种 8 第1 章绪论 i i i i 置暑眚i 暑暑暑置i 暑i i ；i i i i i i i i i 宣置i i i 宣置蕾薯暑暑宣宣置置置i i 置i 暑葺暑葺暑暑宣i 宣i i 置篁宣置皇宣置宣皇宣宣i i 置i i 昌宣宣宣i 鼍i i 情况下，比较不同的入口介质流量和温度等参数变化下得出对应的换热器壳侧的湍流动 能、传热系数及压降变化的影响规律。 ( 3 ) 针对换热量一样的情况下，比较壳侧走高温饱和水蒸汽和走低温液体冷却水 两种情况对换热器壳侧综合传热性能的影响。 9 第2 章数值模拟模型及方法 第2 章数值模拟模型及方法 2 1湍流模型及其模拟方法 湍流流动是自然界中与工程技术领域中常见的流动现象，其流动时发生的对流换热 也是工程传热过程中最常见的一种热交换方式。在流体介质连续的流动过程中，会产生 许多不同尺寸的涡体，是对时间和空间上不规则且无秩序的一种非线性流体流动，是一 种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流体流动嗍。湍流流动中流体的速度、温度、 压力等物性参数都会发生无秩序的变化，其内部结构很难分析清楚。但一般动力学即质 量、动量和能量三大守恒方程对其依然适用。自1 8 8 3 年，雷诺( r e y n o l d s ) 通过试验得 出当雷诺数小于2 3 0 0 时为层流，雷诺数大于2 3 0 0 时为湍流以来，数百年来人们一直对湍 流流动的工况及换热规律进行着不懈的研究，提出了多种湍流的理论和模型，已经对湍 流的一些机理及结构等有了清晰完整的认识，但所需求解的偏微分方程组都是很复杂且 数量很大的。 在论文的换热器模拟计算中，管壳式换热器无论是管程还是壳程，在其工作过程中， 由于能量的大量传递及折流板的作用，使其内部流体基本都是呈现湍流流动状态。所以 选择合适的湍流模型对模拟结果的准确性有着至关重要的作用。 对于流体湍流流动的模拟计算，公认为非稳态的n a v i e r - s t o k e s 方程适用于无论多么 复杂的湍流运动瞬时运动嗍。在计算流体力学及传热学的基础上提出的模拟方法应用较 为广泛的主要有：直接数值模拟法，雷诺时均化方程的模型方法和大涡模拟方法三种。 2 1 直接模拟法 直接模拟法( d n s ) 是在不引入任何封闭模型的前提下，用三维非稳态的n - s 方程 直接对湍流情况进行数值计算。此种方法湍流中的空间结构进行详细的描述，甚至是最 小尺寸的涡旋，其模拟的结果与真实结果极为接近，误差也非常小。但是，例如一个较 小的涡旋就至少要设置1 0 个以上的节点，1 立方厘米的涡旋流场就要设置1 0 5 个节点，这 样的话要想达到理想的稳定状态结果，必须采用很小的时间与空间步长。由此可见，此 种直接模拟的方法如此庞大的计算量对于内存空间及计算速度的要求都是非常高的，所 以目前只限于模拟一些较小空间且雷诺数较低的湍流流动，还无法用于工程问题的数值 模拟计算躺。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 2 大涡模拟法 大涡模拟法( l e s ) 是用适当的有限差分或谱方法对非稳态的n - s 方程积分来直接 模拟大涡的一种方法。根据湍流的涡旋学，湍流流动是由许多不同尺寸的涡旋组成，大 涡在湍流流动中占主体地位，是影响湍流流体介质的质量、动量和能量的主要原因，且 随着流动的情形不同而产生相应的变化，各自特性不同。小涡的主要作用是耗散能量， 而这些能量正是通过大涡间的相互作用传递的，不同的小涡的物理特性几乎是相同的。 所以在此模拟方法中忽略了对小涡的直接模拟，而把小涡对大涡运动的影响通过一种称 作r e y n o l d s 应力的近似模型计算。所以此种方法相对比直接模拟方法而言大大减少了计 算量和对计算机内存等设备的要求即。近年来在一些工程问题的模拟研究中得到了广 泛的应用，用来模拟一些绕柱流体的湍流流动和一些比较简单的剪切涮罚。但是对于一 些较复杂模型及流动工况的湍流流动，其计算量及对计算机资源的要求还是很大的。 2 1 3 雷诺时均化方程的模拟法 由于上述直接模拟法与大涡模拟法二者庞大的计算量等困难，不适用于解决工程应 用上遇到的困难。人们为了求解非稳态的控制方程组，要想避免单纯依靠时均处理使控 制方程组封闭的方法，就只能采用建立模型提出假设的方法，进而把时均方程及湍流特 征量输运方程中的未知的更高阶的时间平均值替代描述成较低价的计算中可以确定的 时均量的函数，减小了计算量，易于求解，所以此种方法在工程湍流计算问题上应用较 为广泛与实用。 在雷诺时均化方程的模拟法中，又有应力模型法与湍流粘性系数模型法两种方法。 2 1 3 1应力模型 应力模型方法是在时均过程中引入新的脉动值乘积的时均项，再对其进行偏微分， 但为了使方程组封闭，又需要引入新的脉动值，这样反复下去，因此，需要引入一个涡 量脉动平方平均值的方程式使方程组封闭。应力模型又分为：雷诺应力模型和代数应力 模型 ( 1 ) 雷诺应力模型 雷诺应力模型是最复杂的模型，针对湍流流体主导方向上最强的脉动，直接封闭和 求解雷诺应力的运输方程，计算这些应力分量的模型叫雷诺应力模型。它无须用半经验 的方法修正，能准确的计算如旋转效应，壁效应等这样的异性效应，但对压力应变项的 模拟能力还差些，且更高阶或更精细的模型过于繁杂，还无法应用于像一些浮力回流， 1 2 第2 章数值模拟模犁及方法 突扩回流及旋流方面工程的实际问题的解决。 ( 2 ) 代数应力模型 对于雷诺应力模型过于复杂的问题，科学家们根据雷诺应力模型，忽略应力运输方 程中的湍流应力等变化项，且对对流和扩散项也做适应的简化，便得到了代数应力模型。 简化后得到的代数应力模型也能够较好的对各向异性的湍流流动情况进行模拟，且计算 容易计算量较小，是一种比较适用的模型。 2 1 3 2 湍流粘性系数模型 虽然应力模型在对湍流工况的模拟已经非常精确，但较其复杂性而言，还很难广泛 的应用于工程流动问题中，所以目前在湍流流动的模拟与计算中，应用最广，最有较的 还是湍流粘性系数模型。湍流粘性系数模型是用湍流粘性系数来模拟湍流应力的方法， 此种方法最在1 8 7 2 年就由b o u s s i n e s s q 所提出，其方程为： 罚一0 等+ 等】一2 3 k 嘞 协 式中七代表湍流动能，肛代表涡粘系数，其随着湍流运动的速度和长度的增大而增大。 他假设湍流流动所产生的应力仿照层流运动的应力，与平均速度变化率成正比。根据这 种假设，计算湍流流动的关键就在于如何确定湍流的粘性系数。而根据确定粘性系数的 方程的数目，又分为零方程模型、一方程模型和双方程模型。其中零方程模型和一方程 模型较为简单，仍要用一定的经验方法来规定计算公式，在工程计算中也有一定的应用， 所得结果也能满足一般工程湍流流动计算的需要，但它们的通用性较差，当流体的流动 形式发生转换时，计算结果往往很不理想。应用最广泛，发展最成熟，最具有通用性且 效果最理想的模型还属七一双方程模型，即为论文所选用的湍流模型。 2 1 4 七一s 双方程模型 此方程模型是l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出的，r f 双方程都是从实验现象 中总结出来的半经验公式。其中七方程是由n - s 方程精确推出的湍流动能守恒方程，描 述了湍流动能主要是由雷诺应力与时均速度变化率之间的相互作用而产生，且考虑了湍 流动能随系统势能的变化而变化的规律。表示为： 昙( 肚) + p 等+ v 等+ w 警) 一去卜警) + _ 叭a ( r 。o 秒k 、i + 昙( l 警) + q + g 一胪一+ & ( 2 以6 ) p 方程是精确的耗散率的输运方程，它包含着湍流流体运动过程中产生的对流项， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 扩散项及耗散项之间的关系，即在运动过程中大涡传递的能量被小涡散掉的关系。表示 为： 詈( 伊塞+ 哼+ 幢) - 去卜塞) 专卜考) 专卜塞) 一鸱譬+ g 丢( g + 粥) + c 2 彻 式( 2 - 1 6 ) 与( 2 - 1 7 ) 中，g ：为流体介质流动时由层流的速度梯度而产生的湍流动能。 gw 2 s ：为应姗量弑s a 厩脚为时均放朝j _ 割等+ 卦 q ：为由浮力作用而产生的湍流动能。瓯一g 竺，p r 。0 8 5 。r ：为方程变量的扩 or ro x , 散系数。：为液体介质湍流流动中所产生的扩散损耗。c ：均为经验常数。c 1 = 1 4 4 ， c 2 = 1 9 2 ，c 3 = 0 0 9 。f ：为湍流耗散率。吼和吒是k 方程和e 方程中与湍流动能及耗散 率相关的普朗特数，值分别为1 0 和1 3 。和s 。：为用户白定义参数。 七一s 双方程模型用求解动量微分输运方程的方法，来考虑湍流动能及其耗散率间的 关系，而不是单单把脉动尺度与时均速度变化率直接联系起来，且湍流特征长度不是像 一方程模型中那样由经验公式给出，而是通过对耗散率及脉动速度变化率的方程求解求 得5 3 1 。正是基于双方程模型的这种通用性，使得其成为t i 程流场计算中的主要工具， 多年来在工业流场和热交换数值模拟计算中得到了广泛的应用。大量的预报及其与不同 实验结果的对比表明，其适用于高雷诺数的管流，通道流或喷管内的湍流流动，无浮力 平面射流，平壁边层等的流动，且模拟计算的结果都非常理想。但对于旋流数大于1 的 强旋流、圆射流、重力分层流、浮力流或低r e 数流动等就会出现很大的问题，与模拟 计算结果与实际情况偏差较大，主要是因为双方程模型没有考虑b o u s s i n e s q 假设下不同 密度差引起的浮力的影响，无法精确的描述湍流应力各分量的输运。针对这些问题，国 内外学者们提出了很多改进形式，使用各向异性模型对双方程模型进行了修正，重新考 查p 方程的源项加以修正，并把系数c 由常数看作遵循某种规律的函数，其中c 值变为： c ；m 觚o 4 3 ，圭1 ，叩。s 生 l，7 + ) j。 进一步放弃各向同性的假定，用z 巧和七，s ，粤间的等量间关系式代替原有的 批： b o u s s i n e s q 表达式，得到了诸如r n gr 一占模型5 4 1 和r e a l i z a b l ek - - 模型5 5 1 等修正的双 1 4 第2 苹数值模拟模型及方法 方程模型。 对于k 一占双方程模型来说，所针对的均为充分发展的高r e 数的湍流模型，而对于 近壁区域流动可能处于层流状态，湍流的脉动影响不如分子粘性的影响大，所以需要采 用特殊的处理方式解决近壁区的流动计算问题。常用的解决方法有两种，一种是壁面函 数法，另一种是低r e 数的r 一占模型法。目前在工程上计算效率较高且有很强的实用性 的方法当属壁面函数法。壁面函数法不需要对壁面内的流动区域进行求解，而是通过半 经验公式将核心区域的湍流求解变量与壁面上的物理量联系起来，得到壁面相邻控制体 积的节点变量值。在建立求解区的温度变量与壁面上物理量关系时，将能量方程中的未 知量温度z 定义为： t t聊+ + 丢p 1 c tl 4 _ k p y 2 印 曩耻毋叫7 1 罕降巾刊砰】 ( y + y r + ) ( y + ) ，r + ) ( 2 - 1 8 ) 式中