基于ANSYS和FLUENT的管壳式换热器整体分析方法.pdfVIP

本文从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT 软件进行换热器流体流动 与传热的数值模拟。然后把FLUENT 软件的温度场数值模拟结果导入ANSYS 中作 节点插值，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。实现了管壳式换 热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件 下进行流体力学以及传热性能和换热器结构性能相结合的分析模拟。从换热器流 体力学及传热的角度得到了有限元结构分析所需要的准确的温度分布。为研究换 热器的温差变形及其热应力，评估热应力的危害性提供了保证。 利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已 经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准 确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难。而对换热 器的结构性能进行准确分析一般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热 器的流体流动与传热和结构性能分析就更加困难。有关管壳式换热器的温度场研 究，目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力、以及由此导致 的结构强度等问题，通常利用ANSYS 大型商用软件行管壳式换热器管板结构的温 度场研究，采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用已知 的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的 数据或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算， 因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。目前文献对于给定工艺条件下管壳式 换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害 的前提，因此本文利用FLUENT 和ANSYS 软件对一台固定管板换热器的约束构件 之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首先从计算流体 力学与传热的角度出发，利用FLUENT软件进行换热器流体流动与传热的工艺状况 数值模拟。然后把FLUENT 软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成温 度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。从而实现了管 壳式换热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同 一条件下换热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算 与结构分析计算完整地结合在一起，计算精度更高。 1 CFD数值模拟 本文研究的换热器结构示意如图1所示，在对实际结构进行合理简化的基础 上，以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模 型，采用分段模拟、整体综合的方法，利用 FLUENT软件对该换热器在正常操作 工况下的流动与传热情况进行数值模拟[8] ，得到计算流道上有关各个构件的壁 温场分布。 图1 换热器结构示意图 CFD模型 正常工作状态下换热器的管程介质为饱和水蒸汽，蒸汽温度为110℃。壳程 介质为自来水，壳程流体进口速度为Vint=0.3m/s 。如果完全按照实际结构建 立计算模型，势必给建模以及数值分析计算带来不便，因此在数值计算之前，需 要对换热器中对温度场（即流体流动）有影响的结构以及变形相互之间受到约束 的构件进行分析，然后对整体结构进行适当简化。根据换热器的安装和放置方式， 运行中的换热器的结构关于垂直中心线对称，故建立对称模型。在本文研究的换 热器中，影响传热（温度场）的主要结构有导流筒、换热管、折流栅、管板、壳 体，而变形受到约束的结构构件，主要有高温端和低温端管板、换热管束、壳程 筒体。因此实际建模中，模型应该包括对温度分布造成影响的结构以及产生热变 形时受到约束的结构。整台换热器的温度场数值计算模型由导流筒流道（进口段 和出口段）和折流栅流道（总共六段）组成。 1.2 边界条件及求解 对于三维流场数值计算的边界条件，一般分为入口边界条件、出口边界条件、 固体壁面及对称面四大类型。对于本文计算模型，边界条件的确定如下： 入口边界条件：正常工作条件下，换热器壳程进口（接管）速度往往是给定 的，同时考虑到壳程为不可压缩流体，故给出速度进口条件。折流栅流道的入口 边界根据上一流段的出口速度分布来给定。 出口边界条件：对于进口段模型其出口边界可定义为自由出流。对于折流栅 段，经试算后发现设置出口自由出流的边界条件也适宜。 固体壁面：直接将固体壁面定义为