一种管壳式换热器冷凝传热的模拟方法

1.本发明涉及换热器模拟的技术领域，尤其涉及一种管壳式换热器冷凝传热的模拟方法。


背景技术：

2.据统计，在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30％，在炼油厂中占全部工艺设备的40％左右，海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国内外市场的调查表明，虽然各种板式换热器的竞争力在上升，但管壳式换热器仍占主导地位约64％。在我国石油化工行业中，管壳式换热器是换热设备中使用量最大的设备，其中80％以上的管壳式换热器仍采用弓形折流板光管结构。
3.目前，尽管国内外学者对换热器的数值模拟做了大量的研究，但大部分工作主要针对管壳式换热器单侧传热问题进行分析研究，缺少对管壳式换热器壳程、管程流场以及换热管整体进行共轭传热的研究。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明提供了一种管壳式换热器冷凝传热的模拟方法，能够解决管壳式换热器有相变的共轭传热问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，构建管壳式换热器模型，划分壳程流体、管程流体和换热管三个计算域；对计算域进行结构化网格划分，并根据管壳式换热器模型的流动特性设置边界条件并进行数值模拟；根据管壳式换热器模型内部的流动状态判断数值模拟的收敛性，若未收敛，则对不同工况下的管壳式换热器模型重复进行数值模拟，直至收敛；若收敛，则根据数值模拟结果分析管壳式换热器有相变的共轭传热的传热特性和流动特性。
8.作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：结构化网格划分包括，采用六面体结构化网格，在icem中分别对壳程流体、管程流体和换热管三个计算域进行网格划分，生成网格文件；其中，三个计算域的网格节点通过interface进行连接，并且网格节点相对应。
9.作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：设置边界条件包括，将网格文件导入fluent，在fluent的viscous模块选择rng k-e湍流模型，在multiphase模块选择mixture模型并在质量转移选项中选择蒸发冷凝模型，在methods模块选择压力与速度的耦合方法为coupled，设置固体和流体域的物质属性和边界条件；其中，边界条件设为：管程流体入口选择速度入口，出口选择压力出口；将管程流体入口的第
一相和第二相的体积分数设置为0；壳程流体入口选择速度入口，出口选择压力出口，将壳程流体入口的第二相体分数设置为1。
10.作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：包括，rng k-e湍流模型满足下述表达式：
[0011][0012][0013]
式中，gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能；gb是由浮力而产生的湍流动能；ρ为流体的密度；t为时间；k为湍流动能；ε为扩散率；μ为流体的动力粘度；ui为流体速度在某个方向的分量；xi、xj为不同的方向分量；gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；ym为在不可压缩湍流中脉动膨胀对整体扩散率的贡献；c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
为常数项；αk、α
ε
是k方程和e方程的湍流普朗特数；r
ε
为调节应变速率参数；sk和s
ε
为用户自定义源相。
[0014]
作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：包括，mixture模型满足以下方程：
[0015]
连续方程：
[0016][0017]
动量方程：
[0018][0019][0020]
能量方程：
[0021][0022]
相对速度和漂移速度：
[0023][0024]
第二相的体积分数方程：
[0025][0026]
式中，是质量平均速度，ρm是混合密度，为；n是相数，是体积力，为混合速度，为温度为t的质量平均速度，为重力加速度，ρk为第二相k的密度，μm是混合粘性，是第二相k的滑移速度；ek为，k
eff
是有效热传导率，se包含了所有的体积热源；
[0027]
作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：所述蒸发冷凝模型包括，
[0028][0029][0030]
se＝s
mhlv
[0031][0032]
其中，αv为气相体积分数，ρv为气相密度，为气相密度，为蒸发和冷凝的传质速率；sm为质量守恒方程中的相变质量源相，r为相变因子，t
sat
为饱和温度，ρ
l
为液相密度；ρv为气相密度，α
l
为液相体积分数，αv为气相体积分数，t为饱和温度；se为能量方程中的热源相，h
lv
为工质的汽化潜热；p1、p2为截面处两侧的压强；σ为液体表面张力系数；r1、r2为相界面曲率半径。
[0033]
作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：数值模拟包括，对面上参数进行检测，并输出面上参数，对管壳式换热器模型进行数值计算。
[0034]
作为本发明所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的一种优选方案，其中：检测面上参数包括，对壳程流体与管程流体的出口温度以及壳程流体出口的液相体积分数进行检测，将壳程流体与管程流体出口的温度、压力以及壳程流体出口液相体积分数进行输出。
[0035]
本发明的有益效果：本发明通过对管程流体、壳程流体和换热管进行共轭传热的数值模拟，相比现有技术更加符合实际情况，减少了网格的节点数量，大大提高模拟计算速度与精度；同时对管壳式换热器不同边界条件下进行数值模拟，在一个工况数值模拟完成后，直接改变边界条件，不需将计算域初始化即可进行计算，可以节省重复操作步骤，提高计算效率。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0037]
图1为本发明第一个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的三个计算域的三维模型示意图；
[0038]
图2为本发明第一个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的管壳式换热器模型的icem结构化网格划分示意图；
[0039]
图3为本发明第一个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的对数平均温差随管程入口速度的变化规律示意图；
[0040]
图4为本发明第一个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的对数平均温差随壳程入口速度的变化规律示意图；
[0041]
图5为本发明第一个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的壳程压降随壳程进口速度的变化规律示意图；
[0042]
图6为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的mesh非结构化网格划分示意图；
[0043]
图7为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的icem划分的结构化网格与mesh划分的非结构化网格的网格数量对比示意图；
[0044]
图8为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的icem划分的结构化网格与mesh划分的非结构化网格的计算时间对比示意图；
[0045]
图9为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的温度分布云图；
[0046]
图10为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的壳程进口速度云图。
[0047]
图11为本发明第二个实施例所述的管壳式换热器冷凝传热的模拟方法的壳程液相体积分数云图。
具体实施方式
[0048]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
[0049]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0050]
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
[0051]
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0052]
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0053]
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例
如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0054]
实施例1
[0055]
参照图1～5，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种管壳式换热器冷凝传热的模拟方法，包括：
[0056]
s1：构建管壳式换热器模型，划分壳程流体、管程流体和换热管三个计算域。
[0057]
根据管壳式换热器确定管壳式换热器模型的尺寸，本实施例中管壳式换热器具体尺寸为，换热管内径17mm，厚度1mm，换热管长1012mm，换热管为正三角形排列，管间距为25mm，管壳式换热器直径100mm，管程长度为1200mm，壳程长度为1000mm，换热器管板厚度为6mm，折流板厚度为2mm，管程进口直径60mm，管程出口直径60mm，壳程进口直径60mm，壳程出口直径50mm。
[0058]
接着使用ansys workbench软件中的designmodeler软件对管壳式管壳式换热器进行建模，然后将管壳式换热器模型分为壳程流体、管程流体和换热管三部分，如图1所示。
[0059]
其中，管程流体为冷却水，壳程流体为饱和丙烯蒸汽。
[0060]
s2：对计算域进行结构化网格划分，并根据管壳式换热器模型的流动特性设置边界条件并进行数值模拟。
[0061]
采用六面体结构化网格，参照图2，在icem中分别对壳程流体、管程流体和换热管三个计算域进行网格划分，生成网格文件；其中，三个计算域的网格节点通过interface进行连接，并且网格节点相对应。
[0062]
具体的划分步骤为：
[0063]
(1)对壳程流体进行网格划分，建立2d块文件，通过o切功能将块文件分为若干部分，设置线段节点数；通过拉伸功能，将划分好的2d网格拉伸为3d网格，最后对进出口进行网格划分。
[0064]
(2)对管程流体进行网格划分，利用上一步中的2d块文件，将多余的块删除，划分管程流体的网格。
[0065]
(3)对换热管进行网格划分，利用第一步中的2d块文件，将多余的块删除，划分换热管的网格。
[0066]
(4)将划分好的壳程流体网格、管程流体网格和换热管网格进行合并，并且将壳程流体与换热管交界面、管程流体与换热的交界面的面网格类型设置为interface面网格类型，最后导出生成的网格文件。
[0067]
进一步的，将网格文件导入fluent，通过mesh interfaces中的create/edit mesh interfaces将壳程流体与换热管交界面、管程流体与交界面设置为coupled wall；接着在fluent的viscous模块选择rng k-e湍流模型，在multiphase模块选择mixture模型并在质量转移选项中选择蒸发冷凝模型，在methods模块选择压力与速度的耦合方法为coupled，设置固体和流体域的物质属性和边界条件；
[0068]
其中，边界条件设为：管程流体入口选择速度入口，出口选择压力出口；将管程流体入口的第一相和第二相的体积分数设置为0；
[0069]
壳程流体入口选择速度入口，出口选择压力出口，将壳程流体入口的第二相体分
数设置为1。
[0070]
(1)rng k-e湍流模型满足下述表达式：
[0071][0072][0073]
式中，gk是由层流速度梯度而产生的湍流动能；gb是由浮力而产生的湍流动能；ρ为流体的密度；t为时间；k为湍流动能；ε为扩散率；μ为流体的动力粘度；ui为流体速度在某个方向的分量；xi、xj为不同的方向分量；gk为由于平均速度梯度产生的湍流动能；ym为在不可压缩湍流中脉动膨胀对整体扩散率的贡献；c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
为常数项；αk、α
ε
是k方程和e方程的湍流普朗特数；r
ε
为调节应变速率参数；sk和s
ε
为用户自定义源相。
[0074]
材料materials选项中，添加材料c3h6(propylene)、water-liquid和steel，c3h6(propylene)的物性参数见表1。
[0075]
表1：c3h6(propylene)的物性参数。
[0076][0077]
(2)使用mixture模型作为多相流模型，主相选择water-liquid，第二相选择气态丙烯，第三相选择液态丙烯。
[0078]
mixture模型满足以下方程：
[0079]
连续方程：
[0080][0081]
动量方程：
[0082][0083]
能量方程：
[0084][0085]
相对速度和漂移速度：
[0086][0087]
第二相的体积分数方程：
[0088][0089]
式中，是质量平均速度，ρm是混合密度，为混合质量；n是相数，是体积力，为混合速度，为温度为t的质量平均速度，为重力加速度，ρk为第二相k的密度，μm是混合粘性，是第二相k的滑移速度；ek为，k
eff
是有效热传导率，se包含了所有的体积热源；
[0090]
(3)蒸发冷凝模型中蒸发冷凝系数为均为1，表面张力系数为42。
[0091]
蒸发冷凝模型为：
[0092][0093][0094]
se＝s
mhlv
[0095][0096]
其中，αv为气相体积分数，ρv为气相密度，为气相密度，为蒸发和冷凝的传质速率；sm为质量守恒方程中的相变质量源相，r为相变因子，t
sat
为饱和温度，ρ
l
为液相密度；ρv为气相密度，α
l
为液相体积分数，αv为气相体积分数，t为饱和温度；se为能量方程中的热源相，h
lv
为工质的汽化潜热；p1、p2为截面处两侧的压强；σ为液体表面张力系数；r1、r2为相界面曲率半径。
[0097]
s3：根据管壳式换热器模型内部的流动状态判断数值模拟的收敛性，若未收敛，则
对不同工况下的管壳式换热器模型重复进行数值模拟，直至收敛；
[0098]
计算收敛的判定条件为：残差曲线收敛以及监测的出口参数不再变化。
[0099]
对不同工况下的管壳式换热器模型重复进行数值模拟，即对面上参数进行检测，即对壳程流体与管程流体的出口温度以及壳程流体出口的液相体积分数进行检测，将壳程流体与管程流体出口的温度、压力以及壳程流体出口液相体积分数进行输出；输出面上参数，对模型进行数值计算，计算完成一个工况后改变边界条件，不需要初始化即可开始计算。重复此步骤，直至完成所有工况计算。
[0100]
具体的，(1)在fluent开启界面选择双精度模型；
[0101]
(2)solver选项中，使用瞬态计算模型，并设置重力方向为y轴负方向，大小为9.81；
[0102]
(3)models选项中，打开能量方程，湍流模型选择k-epsilon，rng，壁面函数选择standard wall functions，勾选viscous heating；
[0103]
s5：若收敛，则根据数值模拟结果分析管壳式换热器有相变的共轭传热的传热特性和流动特性。
[0104]
分析结果分别如图3、4、5所示。
[0105]
从图3中可以看出管程入口速度在0.1m/s到1.5m/s，对数平均温差随管程入口速度的增加急剧增大，当速度在1.5m/s后，增大管程入口速度，对数平均温差增加缓慢，在速度增加到4m/s以后对数平均温差几乎不再增加。
[0106]
从图4中可以看出壳程入口速度在0.1m/s到1.2m/s，对数平均温差随壳程入口速度的增加而增大，随后对数平均温差随壳程入口速度缓慢下降。
[0107]
从图5中可以看出壳程压降随壳程进口速度增大，并且增大的速率也随之增大。结合图4、图5可以得到，壳程入口速度并不是越大越好，存在某一速度范围，在此范围内管壳式换热器热效率达到最优。
[0108]
实施例2
[0109]
为了对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例选择传统的技术方案和采用本方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。
[0110]
为验证本方法相对传统的技术方案(mesh非结构化网格划分方法)对网格划分具有较高的划分效率，本实施例中将采用mesh非结构化网格划分和本方法分别对管壳式换热器进行网格划分对比，结果如图2、6～8所示，其中，图6为采用mesh非结构化网格划分方法对管壳式换热器进行划分的结果，图2为采用本方法对管壳式换热器进行划分的结果，由图7可见，两种网格划分方法网格大小相当，使用icem划分(本方法)的结构化的网格数量比使用mesh划分的非结构化网格的网格数量要少二分之一到三分之一。
[0111]
参照图8，使用同样方法对两种网格进行模拟计算，对比开始只收敛的计算时间，可以得到使用icem划分的结构化网格比mesh划分的非结构化网格要节约一半左右的计算时间。
[0112]
进一步的，为验证本方法的模拟效果，本实施例将实施例1获得的模拟计算文件导入后处理软件cfd-post中，模拟结果如图9、图10、图11所示。
[0113]
从图9可以看出，壳程流体温度随折流板逐级降低，每级折流板之间流体温度分布
并不均匀，在折流板背部温度比折流板缺口处温度要低。
[0114]
从图10可以看出，壳程流体入口下方速度较大，在此处流体对换热管的冲击最明显，并且在壳程入口下方第一层换热管处速度梯度变化最大。
[0115]
从图11中可以看出，壳程内液相体积分数从壳程入口处逐级增加，在最后一级折流板处体积分数最大，并且在折流板背部的液相体积分数比折流板缺口处液相体积分数要大。
[0116]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0117]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0118]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0119]
如在本技术所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组(例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/
或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互)的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。
[0120]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。