栅板式换热器中流体流动的CFD模拟（仅供参考）

栅板式换热器中流体流动的栅板式换热器中流体流动的 CFDCFD 模拟 仅供参考 模拟 仅供参考 摘要 钢铁行业作为国民经济的支柱产业 在现在生活中占有越来越重要的地位 然而 钢铁 工业做为高耗能的产业 也激发了人们对其余热回收研究的兴趣 本文简单介绍了 Fluent 软 件 以及该课题的研究背景及意义 详细介绍了 Fluent 软件的模拟过程 通过对回收余热中 栅板式换热器中的流体流动进行了 CFD 模拟 得到较好的效果 并提出对板型的优化设计方 案 关键词 CFD Fluent 软件 栅板式换热器 余热回收 1 前言 计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics 简称 CFD 是通过计算机数值计算和图像 显示 对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析 CFD 的基本思想可以 归纳为 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场 如速度场和压力场 用一系列有限个 离散点上的变量值的集合来代替 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之 间关系的代数方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近似值 1 CFD 方法克服了理论分析方法的的弱点 在计算机上实现一个特定的计算 就像在计算机上 做一次物理实验 解决了实验中遇到的经费投入 人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困 难 1 1 FLUENT 软件介绍 FLUENT 是由美国 FLUENT 公司于 1983 年推出的 CFD 软件 目前 FLUENT 公司已被 ANSYS 公司 收购 它是继 PHOENICS 软件之后第二个投放市场的基于有限体积法的软件 FLUENT 一直以 用户界面友好而著称 对初学者来说非常容易上手 是目前功能最全面 适用性最广 国内 使用最广泛的 CFD 软件之一 FLUENT 提供了非常灵活的网络特性 让用户可以使用非结构网络 可用于二维平面 二维轴 对称和三维流动分析 可完成多种参考系下流场模拟 定常与非定常流动分析 不可压流和 可压流计算 层流和湍流模拟等 它还提供了多种湍流模型 此外 FLUENT 可以让用户定义 多种边界条件 如流动入口及出口边界条件 壁面边界条件等 所有边界条件可随空间和时 间变化 包括轴对称和周期变化等 FLUENT 计算步骤可分为 1 建立反应工程问题或物理问题本质的数学模型 具体的说就是要建立反映问题各个量之 间关系的微分方程及相应的定解条件 这是数值模拟数值模拟的出发点 2 划分计算网格 建立离散方程 采用数值方法求解控制方程时 都是想办法将控制方程在 空间域上进行离散 然后求解得到离散方程 要想在空间域上离散控制方程 必须使用网格 3 给定求解控制参数 求解离散方程 在离散空间上建立了离散化的代数方程组 并施加离 散化的初始条件和边界条件后 还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等 此外 还要定迭代计算的控制精度 瞬态问题的时间步长和输出频率等 设置好参数后 就生成了 具有定解条件的代数方程组 4 显示和输出计算结果 通过上述求解过程得出了各计算节点上的解后 需要通过适当的手 段将整个计算域上的结果进行表示出来 这时 可以使用线值图 矢量图 等值线图 流线 图 云图等方式对计算结果进行表示 1 2 本课题提出的背景及意义 随着我国国民经济的快速发展和人口的不断增长 能源相对不足的矛盾日益突出 已经成为 影响经济和社会发展的重要制约因素之一 为了实现我国国民经济的可持续发展 国家提出 了构建 资源节约型 和 环境友好型 社会的战略方针 将节能降耗作为国家发展经济的一项 长远战略方针和解决当今能源问题的首要途径 钢铁工业作为我国新型工业化进程中的重要支柱性基础产业近年来得到高速发展 粗钢产量 从 2000 年的 12 850 万吨增至 2007 年的 48 924 万吨 增长了 3 8 倍 对国家的经济建设和 相关产业的拉动起了重要作用 同时 钢铁工业又是高能耗产业 其消耗的能量占全国总能耗 的 16 左右 能源消耗费用占企业生产总成本的 24 以上 与此同时 我国大多数钢铁企业的 能源利用率仅仅为 30 50 2004 年大中型企业的吨钢可比能耗平均为 705kg 标煤 比日本钢 企的 656kg 标煤尚有不小差距 节能降耗的潜力还很大 本课题组通过耐腐蚀 耐磨损高效栅板式换热器将废蒸汽及冲渣水中的废热抽取出来 应用 高效可清洗栅板腔式换热器吸收冲渣水的显热 3 该课题所面临的巨大的挑战乃是换热器 内板面的上的污损与结垢问题 因此研究这栅板式换热器内的流体流动情形就成为刻不容缓 的问题 2 栅板式换热器的 CFD 模拟 2 1 板内流体流动物理模型 本课题研究的板型为板管换热板片 其实物见图 2 1 图 2 1 管板的板面形状 在合理简化实物模型的基础上 建立板管式换热板内流体流动的二维物理模型 见图 2 2 所 示 图 2 2 栅板流道截面 2 2 数学模型的建立 流体流动要受物理守恒定律的支配 基本的守恒定律包括 质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 如果流动处于湍流状态 系统还要遵守附加的湍流输运方程 4 如果流体包 含不同成分的混合或相互作用 系统还要遵守组分守恒定律 本课题所涉及的流体流动处于 湍流状态 并且流体流动过程中 密度不随时间变化 流动处于稳态 2 2 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律 该定律可表达为 单位时间内流体微元体中质量的 增加 等于同一时间内流入该微元体的净质量 按照这一定律 可以得出质量守恒方程 2 2 1 式中 是密度 是时间 是速度在 方向的上的分量 由于流动处于稳流 密度不随时间变化 因此上式可变为 2 2 质量守恒方程常称作连续方程 2 2 2 动量守恒方程 动量守恒方程也是任何流动系统必须满足的基本定律 该定律可表达为 微元体中流体的动 量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上各种力之和 该定律实际上是牛顿第二定律 按照这一定律 可导出和两个方向上的动量守恒方程 2 3 2 4 2 2 3 能量守恒方程 能量守恒定律是包含热交换的流动系统必须满足的基本定律 该定律可表达为 微元体中能 量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功 该定律实际是热 力学第一定律 2 5 其中 是比热容 为温度 为流体的传热系数 为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转 化为热能的部分 有时简称为粘性耗散项 2 2 4 湍流输运方程 标准模型是典型的两方程模型 该模型是目前使用最广泛的湍流模型 其中表示湍动能 表示 湍动耗散率 与之相对应的输运方程为 2 6 2 7 其中 是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项 是由于浮力引起的湍动能的产生项 代表 可压湍流中脉动扩张的贡献 和为经验常数 和分别是与湍动能和耗散率对应的 Prandtl 数 和是用户定义的源项 湍动粘度可表示成和的函数 即 其中为经验常数 2 3 网格划分 板内流体流动模型 其结构比较简单 模型网格的划分采用四边形网格 Submap 网格生成方 法 将一个不规则的区域划分为几个规则区域并分别划分结构性网格 网格质量 interval size 选取了 1 板管的网格图及局部放大图见图 2 3 图 2 3 板管的网格图及局部放大 2 4 求解参数的选择 在运算中 选择分离式求解器 标准湍流模型以及标准壁面函数 采用压力 速度耦合的 SIMPLE 算法 动量和能量方程选择一阶迎风差分格式 由于 SIMPLE 算法对松弛因子也有要 求 其参数选定如下 压力松弛因子 0 3 动量方程松弛因子 0 4 能量方程松弛因子 0 8 密 度和体积力松弛因子 0 8 收敛判断条件为所有物理量的误差小于 10 6 本课题以水为流动介质 同时参考了文献 得到水的热物性如表 2 1 表 3 1 水的热物性参数值 密度 比热 导热系数 动力粘性系数 992 2 4174 0 63 0 000653 2 5 计算结果和分析 下面根据不同工况 对管板讨论入口流速在 0 1 到 1 2 之间逐渐增大时的温度场 压力场和 速度场的变化情况 入口介质水温度为 40 恒壁温为 85 壁面热通量为 0 2 5 1 板管的温度场 压力场和速度场分析 1 当入口流速为 0 1 0 3 0 6 0 9 1 2 时 温度分布云图 a b c d 图 2 4 入口流速为 a 0 1m s b 0 3 m s c 0 6 m s d 0 9 m s 时 板管内温度 分布图 2 当入口流速为 0 1 0 3 0 6 0 9 1 2 时 压力分布云图 a b c d 图 2 5 入口流速为 a 0 1m s b 0 3 m s c 0 6 m s d 0 9 m s 时 板管内压力 分布图 3 当入口流速为 0 1 0 3 0 6 1 0 1 2 时 速度分布云图 a b c d 图 2 6 入口流速为 a 0 1m s b 0 3 m s c 0 6 m s d 0 9 m s 时 板管内速度 分布图 2 5 2 流速对传热和压降的影响分析 由于本模型是对换热板片的简化 从三维简化为二维进行仿真研究 该情况能够较准确反应 流体力学特性 下面 将针对流速对压降的影响以及板型对流场的影响进行分析 并进行板型 优化 1 流速对压降的影响 经过对仿真结果的进一步分析 可以得知 该板在 0 1 到 1 2m s 变化过程中 压降显著增大 这种情况也可以从压力场云图上看到 每次流道转折处 均出现较大变化 由此可知 板管适 用的流速范围应低于 1m s 2 流速对温度场分布的影响 通过对板型温度场分布云图分析 可以看出在相同的流速情况下 该板的出口温度较高 这种 现象表明 该板具有较好的传热学性能 即相同流速下具有更高的传热系数 且由图 2 4 可以 看出 随着流经流道的长度变化 流体温度逐渐上升 3 速度场分布的特征 由云图 2 6 可以看出 每次经过流道转折部位 都形成了较高的速度场 流道流速分布不均匀 随 着直线流道的流动 速度场分布逐渐均匀 在到达下一个流道转折处得到速度场最均一 然后 继续聚集 并且在转折部分局部出现流动死区 即无流动的区域 这种流动特征一方面造成了 板内流动压降大的原因 另一方面 流体在流动过程中的分散和聚合起到一定的搅拌作用 同 时造成流体温度分布较均一 在流速较低的情况下 出口处存在回流情况明显 随着流速的提 高 回流区域逐渐较小 该情况是由于出口处转折较大引起 应该对板型流道进行优化 根据上图板管的速度矢量分布图 可得出板型优化建议如下 将流道转折处设计成曲线过渡 见图 2 7 所示 图 2 7 优化后的板管流道 结论 本章主要应用 FLUENT 软件对冲溠水余热回收利用中所应用的栅板式换热器进行了数值模拟数值模拟 研究 研究了流体在其中的流动情况 探讨了流速对板管的传热和压降的影响 并对板型进行 结构优化 得出了最适合工业生产使用的换热器形状 该研究充分显示了 CFD 的特点及优点 参考文献 1 Fluent Inc FLUENT User s Guide Fluen