[發(fā)明專利]一種管殼式換熱器多孔介質(zhì)系數(shù)計算方法

有效

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• 申請日: 2015-01-16
• 公開（公告）號: CN104657589B
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陸道綱;王雨;袁博;隋丹婷;曹瓊;張帆
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11246
• 代理人: 張文寶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于計算流體力學及數(shù)值傳熱學領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)值計算參數(shù)計算方法，尤其涉及一種管殼式換熱器多孔介質(zhì)系數(shù)計算方法。

背景技術(shù)

管殼式換熱器是工程中應用最為廣泛的換熱器類型。管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱等部件組成。對于工程中的大功率換熱需求，某些管殼式換熱器被設(shè)計的相當巨大。為了強化傳熱以提高傳熱效率，需要增大換熱面積并提高流動速度。這就需要增加傳熱管數(shù)量，減小傳熱管間距并安裝擋板以增加湍流強度。這樣就在管殼式換熱器殼側(cè)形成了細小狹長的通道，構(gòu)成了二次側(cè)流體的復雜流動空間。有數(shù)據(jù)表明，對有500根換熱管的換熱器進行精確模擬大約需要1.5×10⁸個控制容積。所以，使用精確網(wǎng)格對有上千根傳熱管的大型管殼式換熱器進行模擬，復雜且難以實現(xiàn)。為了實現(xiàn)對殼側(cè)流體整體的數(shù)值計算，需要引入多孔介質(zhì)方法以減少計算網(wǎng)格數(shù)量。Patankar與Spalding將管殼式換熱器中的殼側(cè)流動環(huán)境作為一種多孔介質(zhì)，引入了分布式阻力(distributed resistance)的概念，完成了對殼管式換熱器殼側(cè)流場的數(shù)值模擬。在之后的研究中這一基本思想經(jīng)過進一步發(fā)展形成了三維多孔介質(zhì)模型。如圖1所示，把二次側(cè)筒體劃分成若干個控制容積，控制容積的分界線為實線，圖中示出了一個控制容積可能會包含多根管子的情形。將每個控制容積看作多孔介質(zhì)，管子就好像是多孔介質(zhì)的骨架，管內(nèi)流體與二次流體的熱交換看成是一種內(nèi)部的熱源。

多孔介質(zhì)模型的兩個重要幾何參數(shù)是多孔度和表面滲透率。多孔度是指單位體積中流體空間所占的體積百分數(shù)，表面滲透率則是指在控制容積的表面上流體表面積所占的百分率，在不同的方向上可能有不同的值。在管束幾何結(jié)構(gòu)確定后，不同控制容積中的多孔度及表面滲透率原則上均可據(jù)幾何結(jié)構(gòu)計算而得。多孔介質(zhì)模型中的另一個重要概念是分布阻力，它是考慮由于二次側(cè)管子固體表面的存在對流體流動所造成的動量損失，分布阻力隨結(jié)構(gòu)、部位及方向而異，如沿軸向的分布阻力就不同于沿徑向的分布阻力， 這些值都是從現(xiàn)有實驗數(shù)據(jù)中獲取的經(jīng)驗參數(shù)。采用多孔介質(zhì)模型以后，一個控制容積(包含若干管子表面)只有一個平均流速。為了引入合適的分布阻力以模擬管子存在對阻止流體流動的影響，需要得到相對精確的多孔介質(zhì)系數(shù)。

多孔介質(zhì)方法是對控制容積中的流動和傳熱狀況進行的一種平均計算，因此只具有平均意義，并不能反映在各個傳熱管之間的流動和傳熱細節(jié)。由于大型管殼式換熱器內(nèi)部傳熱管數(shù)目多，在不同控制容積中有不同的分布，為了得到準確的計算結(jié)果，需要得到各個網(wǎng)格的精確的多孔介質(zhì)參數(shù)。目前國內(nèi)外對于大型管殼式換熱器使用多孔介質(zhì)方法進行數(shù)值模擬的已有很多。但數(shù)值計算中多孔介質(zhì)參數(shù)往往對成千上萬控制體選用定常參數(shù)或逐一手動測量計算，得到的多孔介質(zhì)參數(shù)不能反映模型的真實參數(shù)。這樣不僅計算效率低，且精度差，數(shù)值計算的結(jié)果不能表現(xiàn)出模型的真實流動換熱信息。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明闡述了一種管殼式換熱器多孔介質(zhì)系數(shù)計算方法，可連續(xù)判斷所有控制容積的多孔介質(zhì)系數(shù)，包括體積孔隙率和各個方向的表面滲透率。此方法可根據(jù)換熱器的幾何參數(shù)及網(wǎng)格劃分的幾何參數(shù)對各個控制容積的多孔介質(zhì)系數(shù)進行精確計算，在保證計算精確度的情況下節(jié)省了手動計算的人力物力資源消耗，并且為模型的流場數(shù)值計算取得了精確，真實的多孔介質(zhì)參數(shù)。依據(jù)此多孔參數(shù)可得到大型管殼式換熱器的整體流場，溫度場和含汽率分布，從而為換熱器提供最佳給水比例設(shè)計參數(shù)，優(yōu)化出口蒸汽分布。

本方法實現(xiàn)了對于直角坐標和柱坐標的大型管殼式換熱器各向異性的多孔介質(zhì)系數(shù)自動生成，為大型復雜換熱設(shè)備的熱工水力數(shù)值計算提供了精確方法，降低了多孔介質(zhì)系數(shù)手動計算的工作量，并大大提高了計算精度。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種管殼式換熱器多孔介質(zhì)系數(shù)計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)根據(jù)模型幾何參數(shù)建立管殼式換熱器傳熱管位置計算模型；

(2)建立模型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，計算各個控制體的網(wǎng)格參數(shù)；

(3)根據(jù)控制體的網(wǎng)格參數(shù)和傳熱管的位置參數(shù)計算控制容積內(nèi)的傳熱管數(shù)目；

(4)計算傳熱管內(nèi)均勻分布的N個點坐標，計算分布點位于控制容積內(nèi)的比例，并以此計算控制容積的體積孔隙率

不重復地計算傳熱管的周向、徑向投影面積，并以此計算控制容積的表面滲透率