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折流桿換熱器殼程湍流和傳熱的數值模擬

    折流桿換熱器殼程結構復雜,用理論方法難以獲得殼程流體流動和強化傳熱機理。為了分析折流桿在換熱器殼程中作用,采用數值方法研究了殼程流體的流動和換熱狀況。首先對殼程結構進行適當簡化,提出了換熱器殼程的“單元流道”模型用于研究縱流式換熱器殼程流場和溫度場的實際細觀信息。針對三維幾何模型和數學模型,數值模擬采用標準 k-ε兩方程湍流模型,用SIMPLE 算法求解速度和壓力的耦合關系,流道的固體邊界采用壁面函數法,在

    不同進口流量下對單元流道進行模擬。結果表明,縱橫交錯布置的折流桿在單元流道中不斷分割和剪切流道內流體,其擾流作用促進了流體湍流,減薄了液體邊界層,減小了對流換熱熱阻,因而有效地提高了流體的對流換熱強度。數值分析結果可為折流桿換熱器的結構優化和性能提高提供理論依據。


    折流桿換熱器用折流桿代替傳統的折流板支撐管束[1],這使制造和安裝更加方便,重量和成本更低,并且殼程流體由折流板支撐時的橫向沖刷管束變為縱向沖刷管束,有效控制了雷諾數較大時換熱管束流體誘導振動,減小了殼程阻力,提高了傳熱效率。國內外學者主要通過實驗方法對折流桿換熱器進行性

    能研究,并已成功地應用于工業裝置中[2]。由于折流桿換熱器殼程結構及流體運動方式的復雜性,理論研究還很不完善,殼程流體流動的細節信息和折流桿的強化傳熱機理都不十分清楚。隨著計算流體動力學的發展,數值模擬方法為研究換熱器性能提供了一種新手段。數值方法研發周期短、費用低、重復性好,能直觀地得到換熱器內速度和溫度分布,便于分析換熱器性能和優化設計。目前對換熱器的數值模擬主要針對折流板支撐的殼程流體橫向流動[3],采用多孔介質模型研究殼程的流場、溫度場和壓降特性。多孔介質模型可減少計算網格數,便于模擬換熱器殼程流場和溫度場的全貌,但過于簡化了換熱器的物理模型,模擬結果并不能準確反映出換熱器內局部細節信息。本文根據折流桿支撐換熱器的結構特點,在分析異形流道內流體流動狀況的基礎上[4],提出了殼程的單元流道模型,通過模擬得到換熱器殼程單元流道內湍流流動的速度場和溫度場,為理論分析提供依據。


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