CN112580272A - 一种基于数值模拟的lng空温式气化器的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，该方法首先采用经验公式等方法对LNG空温式气化器进行初步设计，然后对初步设计的空温式气化器采用Fluent软件进行模拟，通过建立几何模型，并划分网格，设定求解器、边界条件等进行数值模拟求解，最后对模拟结果进行分析，如不能满足需求则需增加翅片管总根数继续模拟，直到满足需求，得出LNG空温式气化器的最优设计参数。本发明不仅能有效克服现有技术中粗略估计翅片管根数而降低气化器换热效率的缺陷，而且可大大降低企业的制造成本，广泛应用于空温式气化器的生产制造企业。
Description
技术领域
本发明涉及城镇燃气输配领域，具体涉及一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法。
背景技术
近年来，我国液化天然气(以下简称LNG)技术不断发展，应用越来越广泛。LNG一般要在气化站经过气化器气化为天然气后才能供给用户使用，目前常用的LNG气化器有开架式气化器、浸没燃烧式气化器、中间流体式气化器和空温式气化器，其中结构简单、运行费用低廉的LNG空温式气化器在中小型LNG供气厂站中应用最为广泛。虽然我国空温式气化器的生产规模和装备量较大，但目前还没有专门、精确量化的LNG空温式气化器设计用技术方法。
目前，针对气化器的设计和制造，大多数企业根据经验进行，首先获取应用地区的全年最低气温和气化需求量，然后依照传统的间壁换热器的计算方法进行计算，而忽略了空温式气化器翅片管管束间的传热性能差异，仅根据经验给定设计余量，因此使空温式气化器的气化能力无法达到设计要求。在实际应用中同样存在一些不足，如体积庞大、结构布置不合理、生产制造成本高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，使用该方法可解决空温式气化器的设计问题，使空温式气化器气化能力达到设计要求，且结构合理、可降低生产制造成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其包括以下步骤：
1)计算LNG空温式气化器的根数，具体步骤如下：
(A1)确定基本尺寸：确定设计的LNG空温式气化器星型翅片管结构，即翅片管基本尺寸；
(A2)计算空气管外对流换热系数；
(A3)计算翅片管内对流换热系数；
(A4)计算总传热系数；
(A5)计算热负荷；
(A6)计算总换热面积；
(A7)计算翅片管根数；
2)根据计算出的翅片管总根数，对LNG空温式气化器进行CFD模拟，计算其出口温度，具体步骤如下：
(B1)简化假设：①整个传热过程为充分发展的稳态传热；②翅片管材料各项同性，物性参数不对温度变化而发生变化；③空气按照干空气进行处理，不计环境风速对换热的影响；④忽略辐射换热；
(B2)建立几何模型：根据计算出的LNG空温式气化器结构参数建立几何模型；
(B3)网格划分；
(B4)建立质量、动量和能量控制方程；
(B5)求解器设定；
(B6)数值模拟边界条件设置；
(B7)数值模拟求解；
3)通过LNG空温式气化器进行CFD模拟，得出其出口天然气温度，并进行结果分析，具体步骤如下：
(C1)当模拟结果中的管内流体出口温度不小于设计出口温度(TLo)时，说明此LNG空温式气化器设计合理，能满足需求；
(C2)若模拟结果中管内流体出口温度小于设计出口温度(TLo)时，则此LNG空温式气化器长度不能满足需求，则需增加翅片管总根数继续模拟，直到模拟结果中的管内流体出口平均温度不小于设计出口温度；
由此计算得出LNG空温式气化器的优化设计参数。
进一步，所述步骤1)中步骤(A1)的具体步骤是：确定设计的LNG空温式气化器星型翅片管结构，即翅片管基本尺寸，包括翅片个数(n0)、翅片管内径(Di)、翅片管外径(Do)、翅片厚度(δ)、翅片高度(h)及单根翅片管长度(l0)，计算管内内截面积(Si)、每米翅片管内表面积(Fn)、每米翅片管部分表面积(Fc)、每米光管外露部分表面积(Fg)和每米翅片管外表面积(F)，公式如下：
Fn＝πDi (2)
Fc＝n0·(2h+δ) (3)
Fg＝πDo-n0·δ (4)
F＝Fc+Fg (5)
进一步，所述步骤1)中步骤(A2)计算空气管外对流换热系数的具体方法是：根据计算得出的翅片管尺寸参数，计算空气流动当量直径(De)，公式如下：
选定空气流速(ua)，以室外环境平均温度(Tam)为基准，计算此温度下的空气比热(CPa)、导热系数(λa)、平均黏度(μa)及LNG出口温度时空气黏度(μwa)、空气密度(ρa)，根据如下公式计算空气管外换热系数(αw)：
进一步，所述步骤1)中步骤(A3)计算翅片管内对流换热系数的具体方法是：将LNG按照甲烷纯组分进行计算。
确定进口温度(TLi)、泡点温度(Tb)，计算LNG的平均温度(TLm)，公式如下：
根据LNG的平均温度计算LNG的气化比热(CPL)、导热系数(λL)、LNG密度(ρL)、进口温度下LNG黏度(μL)、表面张力(σ)、沸腾压强(P)、LNG的气化潜热(R)、沸腾压强下的气体密度(ρr)，由上述参数计算LNG管内换热系数(αn)，计算公式如下：
进一步，所述步骤1)中步骤(A4)计算总传热系数的具体方法是：根据空气管外换热系数(αw)和管外污垢热阻(r0)，计算翅片外传热膜系数(h’)，公式如下：
根据翅片外传热膜系数(h’)、铝翅片的导热系数(λAl)、厚度(δ)及高度(h)，计算翅片系数(m)、翅片效率(η)、翅片总效率(ηz)和肋化系数(β)，公式如下：
确定内表面油膜热阻(r1)，再结合翅片管内对流换热系数(αn)，计算总传热系数(K)，公式如下：
进一步，所述步骤1)中步骤(A5)计算热负荷的具体方法是：由翅片管流体气化量(Wi)、进口温度(TLi)、出口温度(TLo)、平均温度下LNG比热(CPL2)及气化潜热(R)，由此计算热负荷(Q)，公式如下：
Q＝Wi[R+CPL2(TLo-TLi)] (19)
进一步，所述步骤1)中步骤(A6)计算总换热面积的具体方法是：根据环境平均温度(Tam)、翅片管流体进口温度(TLi)和出口温度(TLo)及换热温差修正系数
分别计算热端温差(ΔT1)、冷端温差(ΔT2)、换热温差(ΔTm)，公式如下：
ΔT1＝Tam-TLo
(20)
ΔT2＝Tam-TLi
(21)
再由计算热负荷(Q)和总传热系数(K)计算总换热面积(A)，公式如下：
进一步，所述步骤1)中步骤(A7)计算翅片管根数的具体方法是：根据总换热面积(A)、每米翅片管外表面积(F)和单根翅片管长度(l0)，计算翅片管总根数(N)，公式如下：
进一步，所述步骤2)中步骤(B3)网格划分的具体方法是：将计算域分为LNG流体域、铝合金翅片管固体域以及空气流体域三部分，在ICEM中画出几何模型并创建块文件，采用结构化网格对计算区域进行离散，采用Cooper法将三维计算区域划分为结构化六面体网格，并对管内边界层进行局部加密。
进一步，所述步骤2)中步骤(B4)建立质量、动量和能量控制方程，公式如下：
质量守恒控制方程，即连续性方程为：
动量守恒控制方程为：
式中，F为体积力，在x，y方向上F＝0，在z方向上F＝-ρg。
能量守恒控制方程为：
进一步，所述步骤2)中步骤(B5)求解器设定为：Double precision、Parallelprocessing(12processes)、Pressure-based、Absolute、Steady、3D。
进一步，所述步骤2)中步骤(B6)数值模拟边界条件设置为：①LNG出、入口边界：入口处设置为速度入口(velocity inlet)，出口采用压力出口边界条件(pressure outlet)；②空气出、入口边界：将空气域的顶部和侧面设定为压力入口边界(pressure inlet)；空气域的底部为压力出口边界(pressure outlet)。
进一步，所述步骤2)中步骤(B7)数值模拟求解为：①各方程的离散格式：压力速度耦合方法采用PISO格式，Gradient选择Least Squares Cell Based，Pressure选择PRESTO，其余方程均采用Second Order Upwind格式进行离散；②模型设置：多相流均相模型采用Mixture模型，湍流模型k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型，流体近壁区域使用标准壁面函数法，计算过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。
本发明首先采用经验公式等方法对LNG空温式气化器进行初步设计，然后对初步设计的空温式气化器采用Fluent软件进行模拟，通过建立几何模型，并划分网格，设定求解器、边界条件等进行数值模拟求解，最后对模拟结果进行分析，如不能满足需求则需增加翅片管总根数继续模拟，直到满足需求，得出LNG空温式气化器的最优设计参数。本发明不仅能有效克服现有技术中粗略估计翅片管根数而降低气化器换热效率的缺陷，而且可大大降低企业的制造成本，广泛应用于空温式气化器的生产制造企业。
附图说明
图1为本发明的方法流程；
图2为LNG空温式气化器的几何模型，其中：(a)为直管及翅片部分模型，(b)为弯管部分模型；
图3为LNG空温式气化器的计算域网格划分，其中，(a)为直管及翅片部分网格，(b)为弯管部分网格；
图4为LNG空温式气化器模拟结果。
具体实施方式
如图所示：本发明提供一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，包括以下步骤：
1、计算LNG空温式气化器的根数，具体步骤如下：
(A1)确定基本尺寸：确定设计的LNG空温式气化器星型翅片管结构，即翅片管基本尺寸，包括翅片个数(n0)、翅片管内径(Di)、翅片管外径(Do)、翅片厚度(δ)、翅片高度(h)及单根翅片管长度(l0)，计算管内内截面积(Si)、每米翅片管内表面积(Fn)、每米翅片管部分表面积(Fc)、每米光管外露部分表面积(Fg)和每米翅片管外表面积(F)，公式如下：
Fn＝πDi (2)
Fc＝n0·(2h+δ) (3)
Fg＝πDo-n0·δ (4)
F＝Fc+Fg (5)
(A2)计算空气管外对流换热系数：根据计算得出的翅片管尺寸参数，计算空气流动当量直径(De)，公式如下：
选定空气流速(ua)，以室外环境平均温度(Tam)为基准，计算此温度下的空气比热(CPa)、导热系数(λa)、平均黏度(μa)及LNG出口温度时空气黏度(μwa)、空气密度(ρa)，根据如下公式计算空气管外换热系数(αw)：
(A3)计算翅片管内对流换热系数：为简化计算，将LNG按照甲烷纯组分进行计算。
确定进口温度(TLi)、泡点温度(Tb)，计算LNG的平均温度(TLm)，公式如下：
根据LNG的平均温度计算LNG的气化比热(CPL)、导热系数(λL)、LNG密度(ρL)、进口温度下LNG黏度(μL)、表面张力(σ)、沸腾压强(P)、LNG的气化潜热(R)、沸腾压强下的气体密度(ρr)，由上述参数计算LNG管内换热系数(αn)，计算公式如下：
(A4)计算总传热系数：根据空气管外换热系数(αw)和管外污垢热阻(r0)，计算翅片外传热膜系数(h’)，公式如下：
根据翅片外传热膜系数(h’)、铝翅片的导热系数(λAl)、厚度(δ)及高度(h)，计算翅片系数(m)、翅片效率(η)、翅片总效率(ηz)和肋化系数(β)，公式如下：
确定内表面油膜热阻(r1)，再结合翅片管内对流换热系数(αn)，计算总传热系数(K)，公式如下：
(A5)计算热负荷：由翅片管流体气化量(Wi)、进口温度(TLi)、出口温度(TLo)、平均温度下LNG比热(CPL2)及气化潜热(R)，由此计算热负荷(Q)，公式如下：
Q＝Wi[R+CPL2(TLo-TLi)] (19)
(A6)计算总换热面积：根据环境平均温度(Tam)、翅片管流体进口温度(TLi)和出口温度(TLo)及换热温差修正系数
分别计算热端温差(ΔT1)、冷端温差(ΔT2)、换热温差(ΔTm)，公式如下：
ΔT1＝Tam-TLo
(20)
ΔT2＝Tam-TLi
(21)
再由计算热负荷(Q)和总传热系数(K)计算总换热面积(A)，公式如下：
(A7)计算翅片管根数的具体方法是：根据总换热面积(A)、每米翅片管外表面积(F)和单根翅片管长度(l0)，计算翅片管总根数(N)，公式如下：
2、根据计算出的翅片管总根数，对LNG空温式气化器进行CFD模拟，计算其出口温度，具体步骤如下：
(B1)简化假设：为方便进行计算，在不影响最终结果的前提下，采用以下简化假设：①整个传热过程为充分发展的稳态传热；②翅片管材料各项同性，物性参数不对温度变化而发生变化；③空气按照干空气进行处理，不计环境风速对换热的影响；④忽略辐射换热；
(B2)建立几何模型：LNG空温式气化器一般是由多列纵向翅片换热管组成，翅片管之间用U型连接组成蛇形结构，LNG从翅片管的底部进入，受热气化后从顶部流出，根据计算出的LNG空温式气化器结构参数采用Fluent软件进行模拟，建立几何模型；
(B3)网格划分；将计算域分为LNG流体域、铝合金翅片管固体域以及空气流体域三部分，在ICEM中画出几何模型并创建块文件，采用结构化网格对计算区域进行离散，采用Cooper法将三维计算区域划分为结构化六面体网格，并对管内边界层进行局部加密；
(B4)建立质量、动量和能量控制方程，公式如下：
质量守恒控制方程，即连续性方程为：
动量守恒控制方程为：
式中，F为体积力，在x，y方向上F＝0，在z方向上F＝-ρg。
能量守恒控制方程为：
(B5)求解器设定为：Double precision、Parallel processing(12processes)、Pressure-based、Absolute、Steady、3D；
(B6)数值模拟边界条件设置为：①LNG出、入口边界：入口处设置为速度入口(velocity inlet)，出口采用压力出口边界条件(pressure outlet)；②空气出、入口边界：将空气域的顶部和侧面设定为压力入口边界(pressure inlet)；空气域的底部为压力出口边界(pressure outlet)；
(B7)数值模拟求解为：①各方程的离散格式：压力速度耦合方法采用PISO格式，Gradient选择Least Squares Cell Based，Pressure选择PRESTO，其余方程均采用SecondOrder Upwind格式进行离散；②模型设置：多相流均相模型采用Mixture模型，湍流模型选择适用范围广、精度合理、计算量适中的k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型，流体近壁区域使用标准壁面函数法，计算过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒；
此模型已经过试验验证，模拟结果与实际偏差在可接受范围内，可以用来进行仿真模拟计算。
3、通过LNG空温式气化器进行CFD模拟，得出其出口天然气温度，并进行结果分析，具体步骤如下：
(C1)当模拟结果中的管内流体出口温度不小于设计出口温度(TLo)时，说明此LNG空温式气化器设计合理，能满足需求；
(C2)若模拟结果中管内流体出口温度小于设计出口温度(TLo)时，则此LNG空温式气化器长度不能满足需求，则需增加翅片管总根数继续模拟，直到模拟结果中的管内流体出口平均温度不小于设计出口温度；
由此计算得出LNG空温式气化器的优化设计参数。
下面结合附图，以具体实施例为例，详细说明本发明的实施方式。
以八翅片的LNG空温式气化器结构为例进行优化设计计算，翅片管结构初设为φ26×3mm，翅片厚2mm，翅片高度80mm，单根翅片管长度为2m，设计气化量为4.66kg/h，LNG入口温度为-133℃(140K)，出口温度为5℃(278K)，室外环境温度为27℃(300K)。
步骤一：确定基本尺寸
已知n0＝8，Di＝0.02m，Do＝0.026m，δ＝0.002m，h＝0.08m，l0＝2m由此计算得Si＝0.000314159m2，Fn＝0.062832m2，Fc＝1.296m2，Fg＝0.0656816m2，F＝1.3616816m2。
步骤二：计算空气管外对流换热系数
根据翅片管基础尺寸，计算得空气流动当量直径De为0.075384156m，选定空气流速ua为1.2m/s，室外环境平均温度Tam取300K，计算得出此温度下空气的物性参数，CPa＝0.9967433kJ/(kg·℃)，λa＝0.02599243W/(m·℃)，μa＝2.29437×10-5Pa·s，μwa＝2.12619×10-5Pa·s，ρa＝1.1867kg/m3，进而计算得Re＝4678.846649，Pr＝0.879832292，由此计算得空气管外换热系数αw为12.54702831W/(m2·K)。
步骤三：计算翅片管内对流换热系数
确定翅片管流体进口温度133K和泡点温度190K，计算平均温度161.5K，并计算此温度下的LNG的物性参数，CPL＝3.5kJ/(kg·℃)，λL＝0.166W/(m·℃)，μL＝1.02×10-4Pa·s，ρL＝350kg/m3，σ＝0.00825N/m，P＝600000Pa，R＝122kcal/kg，ρr＝3.829886548kg/m3，由此计算得翅片管内对流换热系数αn为11019.3513W/(m2·K)。
步骤三：计算总传热系数
根据空气管外换热系数αw、管外污垢热阻r0＝0.00344m2(m2·K)/W、翅片管内对流换热系数αn、铝翅片结构参数，计算翅片参数η＝0.897445033，ηz＝0.902369378，β＝21.67178508，在由内表面油膜热阻r1＝0.000172，由此计算得总传热系数K为10.64W/(m2·K)。
步骤四：计算翅片管根数
根据LNG气化量Wi＝4.66kg/h、进出口温度计算加热温差ΔT＝145K及平均温度下LNG比热CPL2＝5.37kJ/(kg·℃)，计算得总热负荷Q为1.67kW，根据热端温差ΔT1＝22K、冷端温差ΔT2＝41K、换热温差修正系数取0.5，计算得对数平均温差ΔTm＝15.26K，由换热温差ΔTm＝15.26K、总传热系数K＝10.64W/(m2·K)及总热负荷Q＝1.67kW，计算出总换热面积A＝11.33m2，由总换热面积A＝11.33m2、每米翅片管外表面积F＝1.36m2、每根翅片管长度l0＝2m计算得出翅片管的总根数，取整后N为5。
步骤五：建立几何模型并划分网格
根据计算得出的LNG空温式气化器结构参数，建立几何模型，在ICEM中画出网格见图2，几何模型分成直管及翅片部分和弯管部分，为简化计算，可通过将其进行组合，形成5根翅片管串联的模型，对模型进行网格划分，见图3。
步骤六：设定边界条件
设定求解器：Double precision、Parallel processing(12processes)、Pressure-based、Absolute、Steady、3D；设置边界条件：①LNG出、入口边界：入口处设置为速度入口(velocity inlet)，出口采用压力出口边界条件(pressure outlet)；②空气出、入口边界：将空气域的顶部和侧面设定为压力入口边界(pressure inlet)；空气域的底部为压力出口边界(pressure outlet)。
步骤七：进行数值模拟
各方程的离散格式：压力速度耦合方法采用PISO格式，Gradient选择LeastSquares Cell Based，Pressure选择PRESTO，其余方程均采用Second Order Upwind格式进行离散；模型设置：多相流均相模型采用Mixture模型，湍流模型选择适用范围广、精度合理、计算量适中的k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型，流体近壁区域使用标准壁面函数法。计算过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。
步骤八：模拟结果分析
模拟结果见图4。对LNG空温式气化器的CFD模拟结果进行分析，由图4可以看出，管内流体出口温度在279K左右，即6℃，高于设计出口温度(TLo＝5℃)，满足使用需求。
最后应说明的是：上述实施例仅示例说明本发明的技术方案，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (13)
1.一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)计算LNG空温式气化器的根数，具体步骤如下：
(A1)确定基本尺寸：确定设计的LNG空温式气化器星型翅片管结构，即翅片管基本尺寸；
(A2)计算空气管外对流换热系数；
(A3)计算翅片管内对流换热系数；
(A4)计算总传热系数；
(A5)计算热负荷；
(A6)计算总换热面积；
(A7)计算翅片管根数；
2)根据计算出的翅片管总根数，对LNG空温式气化器进行CFD模拟，计算其出口温度，具体步骤如下：
(B1)简化假设：①整个传热过程为充分发展的稳态传热；②翅片管材料各项同性，物性参数不对温度变化而发生变化；③空气按照干空气进行处理，不计环境风速对换热的影响；④忽略辐射换热；
(B2)建立几何模型：根据计算出的LNG空温式气化器结构参数建立几何模型；
(B3)网格划分；
(B4)建立质量、动量和能量控制方程；
(B5)求解器设定；
(B6)数值模拟边界条件设置；
(B7)数值模拟求解；
3)通过LNG空温式气化器进行CFD模拟，得出其出口天然气温度，并进行结果分析，具体步骤如下：
(C1)当模拟结果中的管内流体出口温度不小于设计出口温度(TLo)时，说明此LNG空温式气化器设计合理，能满足需求；
(C2)若模拟结果中管内流体出口温度小于设计出口温度(TLo)时，则此LNG空温式气化器长度不能满足需求，则需增加翅片管总根数继续模拟，直到模拟结果中的管内流体出口平均温度不小于设计出口温度；
由此计算得出LNG空温式气化器的优化设计参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1)中步骤(A1)的具体步骤是：确定设计的LNG空温式气化器星型翅片管结构，即翅片管基本尺寸，包括翅片个数(n0)、翅片管内径(Di)、翅片管外径(Do)、翅片厚度(δ)、翅片高度(h)及单根翅片管长度(l0)，计算管内内截面积(Si)、每米翅片管内表面积(Fn)、每米翅片管部分表面积(Fc)、每米光管外露部分表面积(Fg)和每米翅片管外表面积(F)，公式如下：
Fn＝πDi (2)
Fc＝n0·(2h+δ) (3)
Fg＝πDo-n0·δ (4)
F＝Fc+Fg (5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1)中步骤(A2)计算空气管外对流换热系数的具体方法是：根据计算得出的翅片管尺寸参数，计算空气流动当量直径(De)，公式如下：
选定空气流速(ua)，以室外环境平均温度(Tam)为基准，计算此温度下的空气比热(CPa)、导热系数(λa)、平均黏度(μa)及LNG出口温度时空气黏度(μwa)、空气密度(ρa)，根据如下公式计算空气管外换热系数(αw)：
4.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤1)中步骤(A3)计算翅片管内对流换热系数的具体方法是：将LNG按照甲烷纯组分进行计算。
确定进口温度(TLi)、泡点温度(Tb)，计算LNG的平均温度(TLm)，公式如下：
根据LNG的平均温度计算LNG的气化比热(CPL)、导热系数(λL)、LNG密度(ρL)、进口温度下LNG黏度(μL)、表面张力(σ)、沸腾压强(P)、LNG的气化潜热(R)、沸腾压强下的气体密度(ρr)，由上述参数计算LNG管内换热系数(αn)，计算公式如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤1)中步骤(A4)计算总传热系数的具体方法是：根据空气管外换热系数(αw)和管外污垢热阻(r0)，计算翅片外传热膜系数(h’)，公式如下：
根据翅片外传热膜系数(h’)、铝翅片的导热系数(λAl)、厚度(δ)及高度(h)，计算翅片系数(m)、翅片效率(η)、翅片总效率(ηz)和肋化系数(β)，公式如下：
确定内表面油膜热阻(r1)，再结合翅片管内对流换热系数(αn)，计算总传热系数(K)，公式如下：
6.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤1)中步骤(A5)计算热负荷的具体方法是：由翅片管流体气化量(Wi)、进口温度(TLi)、出口温度(TLo)、平均温度下LNG比热(CPL2)及气化潜热(R)，由此计算热负荷(Q)，公式如下：
Q＝Wi[R+CPL2(TLo-TLi)] (19)。
7.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤1)中步骤(A6)计算总换热面积的具体方法是：根据环境平均温度(Tam)、翅片管流体进口温度(TLi)和出口温度(TLo)及换热温差修正系数
分别计算热端温差(ΔT1)、冷端温差(ΔT2)、换热温差(ΔTm)，公式如下：
ΔT1＝Tam-TLo (20)
ΔT2＝Tam-TLi (21)
再由计算热负荷(Q)和总传热系数(K)计算总换热面积(A)，公式如下：
8.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤1)中步骤(A7)计算翅片管根数的具体方法是：根据总换热面积(A)、每米翅片管外表面积(F)和单根翅片管长度(l0)，计算翅片管总根数(N)，公式如下：
9.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤2)中步骤(B3)网格划分的具体方法是：将计算域分为LNG流体域、铝合金翅片管固体域以及空气流体域三部分，在ICEM中画出几何模型并创建块文件，采用结构化网格对计算区域进行离散，采用Cooper法将三维计算区域划分为结构化六面体网格，并对管内边界层进行局部加密。
10.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤2)中步骤(B4)建立质量、动量和能量控制方程，公式如下：
质量守恒控制方程，即连续性方程为：
动量守恒控制方程为：
式中，F为体积力，在x，y方向上F＝0，在z方向上F＝-ρg。
能量守恒控制方程为：
11.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤2)中步骤(B5)求解器设定为：Double precision、Parallel processing(12processes)、Pressure-based、Absolute、Steady、3D。
12.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤2)中步骤(B6)数值模拟边界条件设置为：①LNG出、入口边界：入口处设置为速度入口(velocityinlet)，出口采用压力出口边界条件(pressure outlet)；②空气出、入口边界：将空气域的顶部和侧面设定为压力入口边界(pressureinlet)；空气域的底部为压力出口边界(pressure outlet)。
13.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法，其特征在于：
所述步骤2)中步骤(B7)数值模拟求解为：①各方程的离散格式：压力速度耦合方法采用PISO格式，Gradient选择Least Squares Cell Based，Pressure选择PRESTO，其余方程均采用Second Order Upwind格式进行离散；②模型设置：多相流均相模型采用Mixture模型，湍流模型k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型，流体近壁区域使用标准壁面函数法，计算过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。
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|---|---|---|---|---|
| CN112765736A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-05-07 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法 |
| CN116757108A (zh) * | 2023-05-29 | 2023-09-15 | 上海交通大学 | 换热器的模拟方法、装置及设备 |
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2020
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| CN112765736A (zh) * | 2021-04-12 | 2021-05-07 | 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 | 一种高超声速钝前缘绕流湍动能入口边界设置方法 |
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