不同管型换热管及管内外流体多场耦合数值模拟研究

【摘要】：在石油化工生产中,换热器是最常用的设备,提高和改进换热器的传热效率和性能是节省投资、节约能源、提高生产能力的重要途径。因此,提出一种存在内外流体的换热管结构多场耦合分析方法,为高效换热、安全可靠的换热产品设计提供了理论依据和研究方法。本文以不同管型换热管及管内外流体为研究对象,应用固体力学和流体力学计算软件进行数值计算。首先,采用有限元软件ANSYS的顺序耦合与直接耦合两种方法对换热管1/4模型结构应力场与温度场研究,发现使用直接耦合方法较准确;其次,利用CFX软件对换热管内外流体耦合传热数值分析,得到管内流体温度在中心位置最小,壁面处最大。管外环空流体出口处内壁面温度最高,沿径向逐层降低。流体内外壁面温度沿轴向方向呈梯度升高,并在相同轴向位置处内壁面温度高于外壁面温度;然后,对换热管及管内外流体进行耦合传热数值分析,得到管内流体压力在局部产生逆差,管内邻近壁面流体流速变小。随着管程流量的增加,管程和壳程流体进出口温度差、压力差和换热管内外壁面温度、热流量、表面传热系数与光管相比有大幅度提高,并且数值有一定的波动。可见,改变换热管结构是一种提高换热管性能的有效方法;最后,以CFX中建立的离散化固体边界温度和流体边界压力作为边界耦合条件传递到结构分析软件ANSYS中对换热管模型进行结构热应力分析,得到在管壁厚度方向存在应力梯度与应力集中现象。通过应力比较发现,温度载荷对换热管应力影响较大。随着管程入口流体体积流量的增加,各管型换热管下的最大应力值逐渐增大。