换热管流固耦合传热的分区求解数值算法.pdf

第lO卷第28期2010年10月科学技术与工程 VoL10 No．28Oct20lO Science and Sei．Tecl[L 167l一1815(2010)28—6907—05 TechnologyEngineering @2010 Engn晷 化工技术 换热管流固耦合传热的分区求解数值算法 张 强 刘巨保赵晓荣1 (东北石油大学机械科学与工程学院，大庆163318；大庆油田装备制造集团1，大庆163411) 摘要考虑换热管与流体换热的相互影响，以换热管固体域与管内流体域为研究对象，根据褐合界面温度和热流密度的连 续性边界条件，推导了界面温度和热流密度的迭代格式和收敛判别方法。以整场离散整场求解为基准，研究耦合界面处的温 度和热流密度分布以及出口平均温度，探讨了分区求解边界耦合算法的计算精度和求解效率。计算结果表明，建议松弛因子 取0．75、收敛容差取0．1为宜。流固耦合传热的分区求解数值算法，为高效换热管的研发提供可靠的数值模拟方法。 关键词换热管 共轭传热 数值模拟 边界耦合 中图法分类号TQ051．50357．1； 文献标志码 A 管壳式换热器是石油石化工业中广泛应用的 上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的一部 换热设备，其主要的换热元件就是各种直径和材料 分，而不是已知条件。这类边界条件是由热量交换过 的换热管。当前国内外有一种趋势是改变换热管 程动态地加以决定而不是预先规定，这种流体域的流 形状或表面性质，来强化传热过程，以提高换热器 动与传热、固体域的导热过程是一个流同耦合传热 的效率，陆续开发研制了各类高效换热管¨J，如缩 过程。 放管、横纹槽管、螺旋槽管、波纹管、翅片管、扭曲 大多数有实际意义的流同耦合传热问题都无法获 管、铝多孔管等，已取得了比较显著的效果。一方 得分析解，而采用数值解法。目前存在两种流固耦合 面可以节约金属管材，降低设备费用；另一方面可 传热方法【4，5J：一种是强耦合方法，即整场离散整场求 以提高热能利用效率，降低能耗、电耗和生产费用。 解方法，该方法直接将CFD程序的求解区域扩展到固 人们主要通过实验或试验的方法，进行各类高效 体域，采用流体控制方程中的能量方程描述固体域中 换热管的研究，近年来，也进行了数值模拟研究旧，3J。 的传热过程，因此不需要设定耦合方法；另一种方法是 然而，在以往的数值模拟过程中，一般只在换热管的管 弱耦合方法，即分区求解边界耦合方法，该方法分别对 内或管外流道区域内进行数值求解，热边界条件一般 流体域与固体域采用单独的求解器，并在流、固交界面 保证温度与热流量的连续。尽管相对弱耦合方法而 都作出规定：(1)给定边界上的温度分布，(2)规定边界 上的热流分布，(3)给出壁面温度与热流密度间的依变 言，强耦合方法对流同交界面不需要考虑特殊的数据 关系。以上边界设置较简单，并不能完全反映流道内 传递方式，无需迭代计算，具有形式简单的特点。但在 的传热过程。实际上，不仅涉及到流道区域的流动与 计算模型较大时，分区算法可分别对流体域与固体域 对流传热，还包含了换热管固体材料的导热，且这两部 单独求解；固体域的传热计算中，往往需要特定的热力 分并不是独立的过程，热边界条件无法预先规定，而是 计算模型及热应力计算，这是整场算法所欠缺的，而分 受到流体与壁面之间相互作用的制约。此时无论界面 区算法则避免了这些不足。 本文以换热管及管内流体为研究对象，采用数 2010年7月6日收到 黑龙江省科技计划项目(GZ08AS05)资助值模拟方法