CN109657372A

CN109657372A - 一种新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法

Info

Publication number: CN109657372A
Application number: CN201811585894.XA
Authority: CN
Inventors: 郑循皓; 刘伟
Original assignee: Chengdu Yasuyo Asia Pacific Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Yasuyo Asia Pacific Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-24
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2019-04-19
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: CN109657372B

Abstract

一种新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法，先对壳侧模型进行多孔介质模型简化，划分其流体计算网格，然后基于冷却水在不同温度及含汽量条件下的换热关系式，利用自定义函数（USER DEFINED FUNCTION）对以上换热关系式进行数学模型编程，并与壳侧流体实现耦合传热模拟，基于不同的传热机理判定不同温度条件及含气率情况下的换热关系，得到管‑壳侧的温度分布情况。本发明比传统的采用全真实模型的流体计算方法计算效率更高，相比而言计算模型及数学模型更为简单，同时相比经验公式计算方法获取的信息量更完备，计算结果更精确，较为完美的解决了“计算速度”与“计算精度”的平衡问题，为后续管壳式换热器设计计算提供了良好的理论基础及计算方法。

Description

一种新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法

技术领域

本发明涉及管壳式换热器设计计算技术领域，具体涉及一种新型的基于多孔介质模型的多尺度耦合求解模拟方法。

背景技术

管壳式换热器广泛应用在核电、锅炉、电厂、石化等能源行业，管侧和壳侧分别通有各自的热源流动介质和传热流动介质，两侧的介质包含不同的流动行为和传热及相变行为。目前，针对管壳式换热器常用的设计计算方法主要有两种：一种是基于传热学数学模型的经验公式计算方法；另外一种是基于全几何模型的计算流体力学(CFD)分析的方法。基于传热学数学模型的经验公式计算方法是根据管壳式传热经验公式，进行管壳式换热器传热性能计算；基于全几何模型的计算流体力学方法(CFD)是利用设计的详细几何模型进行流体力学传热计算分析。基于传热学数学模型的经验公式计算方法是换热器设计分析的传统计算方法，该方法无法详细展示换热器各区域的换热特性和物理量分布数据，多采用经验假设，对设计人员的经验要求较高，精度不高，所以采用经验计算方法设计管壳式换热器是有较大的工程限制的；采用整体模型的CFD计算方法，该方法计算结果详实，但是整体模型计算效率较低，设计计算周期太长，特别是针对存在相变传热的复杂大模型，当前的计算机技术很难满足整体模型计算的需求，因此，该方法在大型换热器设计中也存在较大的局限性。为了提高管壳式换热器设计计算的数据详实性及计算的快速性等问题，本发明提供了新型的针对管壳式换热器设计计算的模拟方法。

发明内容

针对于管壳式换热器设计中的经验公式计算方法换热参数不够详实及完整计算模型设计计算速度慢等问题，本发明提供了新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法。

为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤1：基于传热关系式，建立管侧一维传热模拟自定义函数(UDF，user definedfunction)，通过分配C_UDM存储空间存储每个网格的管侧流体温度和壁面温度等重要变量。

步骤2：以进口条件分别初始化管侧/壳侧工质的温度和流动状态。初始化整个多孔介质计算区域，基于每个单元的初始值，对管侧/壳侧进行一维、三维耦合传热模拟；

步骤3：随着迭代计算的进行，管侧内部温度升高，存在沸腾传热的可能，基于管侧温度的变化情况判定各温度条件下所采用的传热关系式，若存在某个单元的温度值超过其临界温度值(T_W>＝T_ONB)，过冷沸腾发生。此时相应调整该部分网格管侧换热模型，基于新模型计算该部分网格管侧/壳侧的换热量。随着传热的继续进行，管侧流体和传热管壁面温度也随之不断上升，在loop循环时可检测到某部分位置网格T_f>＝T_s，饱和沸腾换热区出现。此时相应调整该部分网格管侧换热模型，基于新模型计算该部分网格管侧/壳侧的换热量。

步骤4：依步骤3的方法不断迭代进行计算，不断根据判别条件更新局部网格的二次换热模型，直至最后所有分区段的出现。最终形成稳定的多区段换热模式，直至所有控制方程计算获得收敛，计算结束。

附图说明

图1单元网格求解示意图

图2传热模型选择示意图

图3管-壳侧耦合热量传递示意图

具体实施方式

为了解决管壳式换热器设计过程中的快速设计及设计准确性问题，结合图1-图3对本发明进行了详细说明，具体实施步骤如下：

计算步骤:

步骤1：对已建立的管壳式换热器模型，采用多孔介质方法对模型进行网格划分，根据划分的网格尺寸，如每个网格内只包含一根传热管单元，如图1，则管侧流体能量控制方程为：

A_s(v_s,outρ_s,outc_s,outT_s,out-v_s,inρ_s,inc_s,inT_s,in)＝qA_p (1)

其中A_s为传热管内截面积，A_p一次侧传热管表面面积。v、ρ、c、T分别为二次侧流体流速、密度、比热容、温度。in表示流进该网格控制体，out表示流出。以流进流出该单元网格温度的平均数作为该网格管侧流体温度，用以计算管-壳侧换热。可以获得每一个网格的管侧流体温度值，在UDF中通过C_UDMI(c，t，i)存储。

步骤2：以传热数学模型为基础，利用UDF创建管侧的多孔介质区域管侧换热数学模型，利用C_UDMI分配存储空间，用以存储每个网格的管侧流体温度、管道壁面温度、管侧流体含气率、管壳传热量等重要变量。

根据管侧含气量及温度的不同选定不同的传热关系式，具体传热关系式选择如图2所示，基于已有的传热相关数学模型描述，有以下经验公式：

(1)α_g>＝0.99，管侧为单相蒸汽，管侧换热模型采用Dittus-Bolter关系。针对轴向高度Z处的某一网格控制体，通过获取该网格壳侧流体温度，可计算出一次侧流体经过换热器入口流至此处时的焓差，该焓差△h_T即是其向该网格包含的管侧流体所释放的热量。通过计算管侧流体从入口温度达到相应网格中管侧温度下汽相份额0.99时所需要的热量Q，当△h_T>＝Q,即判定α_g>＝0.99。传热系数为Dittus-Bolter关系

(2)TW>＝TMFB管侧工质为膜态沸腾。TMFB采用Leidenfrost温度确定

管侧换热热流密度采用Zuber和Tribus提出的计算公式

(3)T_W>＝T_CHF，恶化沸腾换热区。采用曹丹提出的公式：

Nu＝0.017θRecm^0.8Prcr^0.8

(4)T_f>＝T_s，饱和沸腾换热区。Chen关系式

h＝h_c+h_NCB

h_c＝0.023F(Gd(1-x)/μ₁)^0.85·(μc_p/k)₁ ^0.4(d/D_c)^0.1k_L/d

(5)T_W>＝T_ONB，过冷沸腾区。T_ONB的计算参考关系为T_ONB＝T_S+0.0225·q^0.5e^-p/8.7，相应条件下的传热关系为修正的Chen换热系数关系式

h＝hc+h_NCB(T_i-T_s)/(T_i-T_L)

hc＝0.023(Gd/μ₁)^0.85·(μc_p/k_l)^0.4(d/D_c)^0.1k_L/d

(6)在不满足以上五种条件时，其他情况下，判定管侧流动为单相液体，管侧换热关系采用Dittus-Bolter关系

以上分段中，涉及每个单元格处传热管内壁面温度的计算，由管壳侧的热流密度可以获得换热管内壁面温度：

步骤3：基于以上换热关系式，利用UDF将管侧传热代码耦合到壳侧多孔介质模型中进行计算分析，具体实现过程如图3所示：

步骤3.1：初始化整个多孔介质模型，分别给定管侧及壳侧的初始温度场及流场，基于初始给定管侧各个单元的初始温度和壳侧各单元的初始温度，利用自定义函数进行传热模拟，得到下一步各单元的管侧及壳侧的温度信息，利用C_UDMI进行数据储存。

步骤3.2：随着计算的进行，loop循环各单元的温度及含汽量，通过对温度值及含汽量判定采用哪种关系式对管-壳侧进行耦合热量传递，通过计算将计算结果储存到指定的储存单元C_UDMI中；

步骤3.3：随着计算的继续进行，重复步骤3.2的工作，直到各单元对应的管-壳侧温度值计算收敛，得到换热器管-壳侧的温度、热量、流速等所有信息，计算结束。

Claims

1.一种新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法，本发明涉及换热器传热模拟技术领域，具体涉及一种新型的管壳式换热器协同换热求解算法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1：空间离散化管壳式换热器计算模型，对管壳式换热器模型进行空间网格划分，其具体处理过程如下：

对管壳式换热器进行空间离散，将模型划分为微小的控制体单元，每个控制体单元内仅存在一个换热管道模型，网格示意图如图1。

步骤2：基于传热学基本原理，对管侧流体流动的传热采用一维数值模拟方式进行实现，需要对不同换热原理进行描述，包括单相水换热、过冷沸腾换热、饱和沸腾换热及单相蒸汽换热等，其具体计算过程如下：

基于传热学数学描述，对管侧流体在不同温度及含汽率条件下的换热公式进行自定义函数编程，根据管侧含汽量及温度的不同选定不同的传热关系式，具体传热关系式选择如图2所示：

(2)TW>＝TMFB管侧工质为膜态沸腾。TMFB采用Leidenfrost温度确定

管侧换热热流密度采用Zuber和Tribus提出的计算公式

(3)T_W>＝T_CHF，恶化沸腾换热区。采用曹丹提出的公式：

(4)T_f>＝T_s，饱和沸腾换热区。Chen关系式

h＝h_c+h_NCB

h_c＝0.023F(Gd(1-x)/μ₁)^0.85·(μc_p/k)₁ ^0.4(d/D_c)^0.1k_L/d

h＝hc+h_NCB(T_i-T_s)/(T_i-T_L)

hc＝0_.023(Gd/μ₁)^0.85·(μc_p/k_l)^0.4(d/D_c)^0.1k_L/d

步骤3：利用计算流体力学分析软件FLUENT，读入步骤1中所生成的壳侧多孔介质模型计算网格，通过软件自带自定义函数功能，编译步骤2中自编计算程序，实现管壳式换热器管侧及壳侧的多尺度耦合协同换热，具体实施过程如图3所示。

2.根据权利要求1中所述的一种新型的管壳式换热器多尺度耦合协同换热模拟方法，其特征是，以上所述步骤3中的具体计算过程如下：

步骤3：利用计算流体力学分析软件FLUENT，读入步骤1中所生成的壳侧多孔介质模型计算网格，通过软件自带自定义函数功能，通过编译步骤2中自编计算程序，实现管壳式换热器管侧及壳侧的多尺度耦合协同换热。

根据多尺度耦合协同求解算法，需要在三维计算程序中通过自定义函数的形式耦合一维求解算法，通过步骤2得到管侧流体在不同温度及不同含汽率条件下的传热关系式，得到其换热模拟数学模型，通过对这些数学模型利用编程语言进行表达，根据温度及含汽量判定标准，确定各条件下需要计算的传热关系式。

在文本中每个传热关系式中，需要用C_UDMI进行数据储存，并直接用于下一步的传热计算，模型中需要对管侧流体的材料参数及换热表达式分配储存空间进行数据储存：

C_UDMI(c,t,15)＝6345.220136-31.55986*C_UDMI(c,t,11)+0.06265087*pow(C_UDMI(c,t,11),2)-0.0000430981*pow(C_UDMI(c,t,11),3)；/*以多项式确定过热蒸汽密度*/

C_UDMI(c,t,16)＝0.0025817075-1.24499e-5*C_UDMI(c,t,11)+2.13820338e-8*pow(C_UDMI(c,t,11),2)-1.2651696148e-11*pow(C_UDMI(c,t,11),3)；/*以多项式确定动力粘度*/

C_UDMI(c,t,17)＝1.945859491-0.008872003*C_UDMI(c,t,11)+0.000021636*pow(C_UDMI(c,t,11),2)-0.0000000181064*(C_UDMI(c,t,11),3)；/*以多项式确定导热系数*/

C_UDMI(c,t,18)＝-300954.460725-1804.46479795*C_UDMI(c,t,11)-3.55733419711*pow(C_UDMI(c,t,11),2)+0.00234148187*pow(C_UDMI(c,t,11),3)；/*以多项式确定定压比热*/

C_UDMI(c,t,19)＝874.736235/C_UDMI(c,t,15)；/*传热管内蒸汽流速*/

C_UDMI(c,t,20)＝C_UDMI(c,t,15)*C_UDMI(c,t,19)*d_i/C_UDMI(c,t,16)；/*蒸汽雷诺数*/

C_UDMI(c,t,21)＝C_UDMI(c,t,16)*C_UDMI(c,t,18)/C_UDMI(c,t,17)；/*蒸汽普朗特数*/

C_UDMI(c,t,2)＝0.023*pow(C_UDMI(c,t,20),0.8)*pow(C_UDMI(c,t,21),0.4)*C_UDMI(c,t,17)/d_i；/*管侧换热系数*/

C_UDMI(c,t,13)＝(C_T(c,t)-C_UDMI(c,t,11))/(1/C_UDMI(c,t,1)+0.000083265+1/C_UDMI(c,t,2)*11/16)；/*管壳侧传热热流密度*/

C_UDMI(c,t,0)＝0.19322/d_out*C_UDMI(c,t,13)；/*面热源转化为体热源*/

C_UDMI(c,t,10)＝C_T(c,t)-C_UDMI(c,t,13)*(1/C_UDMI(c,t,1)+0.000083265)；/*管内壁温度*/

Q_NA＝1278.1781047*(C_T(c,t)-sgna_out)*372；/*通过焓值计算钠的热量损失*/

C_UDMI(c,t,11)＝(2569.678309+pow((pow(-2569.678309,2)-4*(7.11815017)*(479449.4123-902070-Q_NA/39.32)),0.5))/(7.11815017*2)；/*管侧流体温度*/

通过以上传热关系式，当给管壳式换热器计算初始化(给定初始流速、初始温度)后，即可迭代得到每步的管侧及壳侧的温度、流速、热量等参数，通过多次迭代计算，设定模型的收敛参数，即可完成针对管壳式换热器的多尺度耦合协同换热计算模拟分析。