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换热和混合设备的CFD模拟

夏红卫  
【摘要】: 传热和混合是工业生产过程中常见的化工单元操作。对传热和混合设备进行研究,弄清设备的工作原理及其结构参数对设备性能的影响规律,对优化设备结构,提高设备的性能具有重要的意义。 本文采用数值模拟计算方法,利用FLUENT软件分别对换热设备和混合设备进行了模拟计算,得到设备内的流场信息以及结构参数对性能的影响规律。 1、采用整体模型对弓形折流板换热器和螺旋支撑板换热器的壳程流场进行模拟计算,利用软件的后处理功能显示了两种换热器壳程内的流动形态的直观显示图,得出弓形折流板换热器在折流板背面区域,尤其是折流板与筒体连接的地方,存在大面积的流动和传热死区;螺旋折流板换热器内,流体呈螺旋形流动,形成一个旋涡,从圆心到半径方向存在较大的速度梯度,这个速度梯度场能在管子表面产生湍流,使边界层减薄,更有利于提高传热系数。研究了换热器壳程的结构参数对于流场特性的影响,得出减小折流板的间距可以使弓形折流板换热器内的流动死区减小,为换热器的优化设计提供了理论依据。 2、对弓形折流板换热器和螺旋折流板换热器内的湍流动能、压降以及传热系数进行了比较,得出螺旋折流板换热器与弓形折流板换热器相比,其壳程单位压降下的传热系数(α0/Δp)可提高0.6~2倍,压降损失减少30%~60%。 3、采用周期性单元流道模型对纵流式换热器进行了模拟,研究了整圆支撑板换热器的孔板开孔度及开孔方式对换热器性能的影响,得出在开孔度小于0.2时,采用大孔开孔的方式能得到较高的换热系数;而开孔度增大后则选用小孔开孔方式,更有利于换热和降低能耗。 4、对SK静态混合器进行了模拟计算,得到静态混合器内的流场分布图,在图上可看出静态混合器内的流体除了沿螺旋扭片的运动外还有绕半圆形截面水力中心的自旋运动。 5、研究了双螺旋静态混合器内的扭片的扭旋角度、长径比、相邻扭片交叉放置角度、混合单元个数等参数对混合器性能的影响,最佳的设计参数是扭片旋转180度,长径比L/D=1.5,相邻扭片交叉90度。 6、使用欧拉模型对混合器内的两相流混合过程进行了模拟,得到混合过程中组分的体积分数是随时间变化的结论,通过模拟可以得出混合需要的时间及混合单元的个数。


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