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用ANSYS和FLUENT进行管壳式换热器整体分析 |
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作者：郭崇志 林长青 |
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利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难。而对换热器的结构性能进行准确分析一般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热器的流体流动与传热和结构性能分析就更加困难。
有关管壳式换热器的温度场研究，目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力、以及由此导致的结构强度等问题，通常利用ANSYS 大型商用软件行管壳式换热器管板结构的温度场研究，采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算，因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。
目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用FLUENT 和ANSYS 软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首先从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT软件进行换热器流体流动与传热的工艺状况数值模拟。然后把FLUENT 软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成温度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。从而实现了管壳式换热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件下换热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算与结构分析计算完整地结合在一起，计算精度更高。
1 CFD数值模拟
本文研究的换热器结构示意如图1所示，在对实际结构进行合理简化的基础上，以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型，采用分段模拟、整体综合的方法，利用 FLUENT软件对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行数值模拟[8] ，得到计算流道上有关各个构件的壁温场分布。
图1 换热器结构示意图
CFD模型
正常工作状态下换热器的管程介质为饱和水蒸汽，蒸汽温度为110℃。壳程介质为自来水，壳程流体进口速度为Vint=0.3m/s 。如果完全按照实际结构建立计算模型，势必给建模以及数值分析计算带来不便，因此在数值计算之前，需要对换热器中对温度场（即流体流动）有影响的结构以及变形相互之间受到约束的构件进行分析，然后对整体结构进行适当简化。根据换热器的安装和放置方式，运行中的换热器的结构关于垂直中心线对称，故建立对称模型。在本文研究的换热器中，影响传热（温度场）的主要结构有导流筒、换热管、折流栅、管板、壳体，而变形受到约束的结构构件，主要有高温端和低温端管板、换热管束、壳程筒体。因此实际建模中，模型应该包括对温度分布造成影响的结构以及产生热变形时受到约束的结构。整台换热器的温度场数值计算模型由导流筒流道（进口段和出口段）和折流栅流道（总共六段）组成。
1.2 边界条件及求解
对于三维流场数值计算的边界条件，一般分为入口边界条件、出口边界条件、固体壁面及对称面四大类型。对于本文计算模型，边界条件的确定如下：
入口边界条件：正常工作条件下，换热器壳程进口（接管）速度往往是给定的，同时考虑到壳程为不可压缩流体，故给出速度进口条件。折流栅流道的入口边界根据上一流段的出口速度分布来给定。
出口边界条件：对于进口段模型其出口边界可定义为自由出流。对于折流栅段，经试算后发现设置出口自由出流的边界条件也适宜。
固体壁面：直接将固体壁面定义为非滑移(静止)壁面。
壳程内件及壳体外壁面定为绝热边界，对于蒸汽流过的通道表面则为恒壁温。
在换热器中壳程内流体一般呈湍流流动状态。本文模拟的换热器壳程流体流动的雷诺数Re≈3060 ，因此在进行模拟计算时，需要考虑为其建立合适的湍流模型。工程上常用的是k-ε 模型，考虑到RNG k-ε 模型对于解这类问题的优越性，因此选择RNG k-ε 模型进行分析求解。本文计算模型中壳程流体不可压缩，不考虑体积力，因此选择分离求解器，可以更快得到收敛解。在分离求解器中对流项的离散方法上，在计算时根据模型的情况适当结合一阶和二阶精度进行。
1.3 CFD 模拟结果
通过数值模拟计算，可以知道换热器内部的流动和传热状况，可以获得流体或壁面的速度分布，温度和压力分布，还可以输出FLUENT 的温度场分析结果作为ANSYS 输入文件，为ANSYS 结构分析建立所需的边界条件，图2～图5 给出了Fluent 中典型且有代表性分段模型的壁面温度场分布。
图2 入口段CFD 模拟温度场分布
图3 入口段管子及管板CFD 模拟温度场分布
图4 折流栅段（四）CFD 模拟温度场分布
图5 折流栅段（四）管子CFD 模拟温度场分布
2 ANSYS有限元分析
2.1 CFD结果数据插值
本文所要解决的问题其实是要让边界条件能够从FLUENT 软件传递到ANSYS 软件中。除了文件格式的不同外，最大的问题是网格不一致。CFD 网格和FEA 网格往往不会一致，在CFD 里面得到结果后，需要把边界上的值从CFD 流体网格映射到FEA 固体网格上。在CFD 里面做了流体和固体耦合传热分析后，需要把固体部分的温度输出转化到对应的ANSYS 模型，以便做热应力分析。而ANSYS 里面的子模型操作命令（BFINT）可以把温度自由度从一个网格直接映射到另一个网格。此时传热分析和结构分析可以使用两套不同的网格。
首先建立ANSYS 的固体结构模型，模型的形状及位置与FLUENT 中固体模型部分相吻合，以便边界的节点能得到好的插值结果，为了能够跟CFD 模型对应，ANSYS 中也采用分段划分网格的方法离散模型。从ANSYS换热器模型中输出相应各段边界节点文件，用这些节点文件进行温度插值。从CFD软件输出固体温度时会得到一个cdb文件。可以根据需要对这个文件进行修改，之后读进温度文件在ANSYS 中生成表面效应单元，并求解。在后处理器中执行BFINT命令。对输出的节点进行插值，会得到一个包含节点温度插值结果的bfin文件，直接将bfin 文件读到ANSYS 有限元固体模型中。这样，CFD模拟的温度场结果就通过节点插值直接加到ANSYS的有限元模型上了，也就得到了后续热分析以及结构分析所需的边界条件。
2.2 ANSYS 热分析
本文利用ANSYS 对换热器进行热—结构耦合分析时，采用间接耦合方法分析温差热应力，即首先通过上述插值的方法得到有限元模型所需要的温度边界条件，读入bfin 文件到ANSYS 有限元固体模型中，把CFD 模拟的温度场结果通过节点插值直接加到ANSYS的有限元模型上。然后就可以对已经施加边界节点温度的换热器模型进行热分析，结果得到换热器模型温度场分布，如图６-９。通过比较图２-５与图６-９ 的结果可以看出，CFD温度场结果与ANSYS热分析的温度场分布差别甚微，说明节点的插值过程误差很小。这就从换热器流体力学及传热的角度得到了有限元结构分析所需要的准确的温度分布。为利用Fluent的计算结果在ANSYS中进一步研究换热器的温差应力提供了保证。
由图6-9 可见，换热器管板沿轴向的温度梯度变化剧烈；而在管板径向的温度分布规律为自中心往外逐渐减小。管板和壳体连接处的温度梯度较大，在换热管和管板连接区域温度变化很明显；壳体整体上温度变化较平缓。管子外壁面温度沿流体流动方向逐渐升高，变化缓慢。
其中图6，图7 显示了入口段壳体和管束的壁温变化，由于壳体与主要与冷流体接触，整体温度较低，变化也较缓和，而在壳体与管板连接区域，管板高温侧和管子内壁的温度较高，壳程流体温度较低，出现由管程到壳程的急剧温度变化。壳体温度沿着周向的分布比较均匀，接近轴对称温度分布模式。由于入口段冷热流体温差较大，流体从入口接管流经导流结构，管板壳程侧，然后沿着管束的方向流动，流体多次改变流向和分布情况，因此入口段管子壁温变化较急剧，局部温差变化较大，在热端温度较高且相对均匀。入口段管板壳程侧的温度变化较大，分布不均匀。
图6 入口段ANSYS温度场分布
图7 入口段管子及管板温度分布
图9 给出了典型的折流栅段的管束壁温分布，从中可见沿着管子轴线方向和圆周方向，局部温度分布明显不同，尤其是在有折流杆的部位，温度分布出现明显的变化，这说明，常规换热器设计计算中，采用面积平均温度的缓慢变化曲线来说明沿着流道均匀缓慢的温度变化是近似的和经验的，由于通过入口段后的流体得到充分发展，流道形状变化不大，流体分布的变化较小，因此管束在这些充分发展的流道内，由面积平均得到的温度变化均匀而缓慢。但是实际上由于存在内件，局部温度变化是十分明显的。
图8 折流栅段（四）ANSYS温度场分布
图9 折流栅段（四）管子ANSYS温度场分布
图10 给出了换热器外壳的温度场，可见在两接管之间的壳程区域，沿着壳程流体从进口到出口的流动方向，外壳的壁面温度是连续缓慢升高的，两端的管箱具有较高的温度。总体上看，壳程沿着轴线方向的温度分布近似满足轴对称条件。 
图10 换热器壳体温度分布
2.3 ANSYS 热应力分析
热分析从整体上分析管壳式换热器工作状态下温度场，从输出的结果可见，换热器的管板、管束和壳体三大约束构件之间由于存在装配与工作条件之间的温差，以及管程和壳程之间流体温差，均会导致热应力。
图11 给出了管束、壳体与管板连接区高温端的热应力分布，从图中可见，管板的两个侧面附近具有较大的应力，而管板中心部位的应力较小，这提示管板承受了典型的弯曲应力，而由于中心部位温度高，管子热膨胀较大，从而受到管板的约束较大，因此，所产生的热应力也较大，其次，在管板与壳体连接的区域，也存在较大的热应力，从变形特征看，管箱侧应存在较大的压缩应力，这些结果与常规固定管板换热器的应力分析结果是一致的。
图11 管束、壳体与管板的应力分布
图12 给出了壳体轴向热应力的变化情况，图中可见，除了在与管板连接区域存在较大的热应力外，壳程的其余部分的温差热应力并不是很大。
图12 壳体轴向（Z）应力分布
图13 和图14 给出了热端管板在管程侧和壳程侧的热应力分布，可见，管板的热应力呈现中心高，布管区边缘低，而与壳体连接区热应力高的特点。结合变形的性质，可知对于管箱一侧的管板，中心部位呈现最大拉伸应力，而与壳体连接区域出现压缩最大应力，布管区与不布管区域的结合处应力出现转折即由拉伸转化为压缩，这与一般理论分析得到的结果大致吻合。
图 13 管板应力分布（管程侧）
图14 管板应力分布（壳程侧）
图15 给出了管子和管板的轴向应力分布情况，图中可见，轴向应力的最大值发生在管子与管板以及管板与壳体连接的区域，由于本文管板不兼法兰，管板与壳体连接的整体性较高，因此，最大的拉脱力将出现在管子与管板连接部位，尤其是管板的中心部位。此外，沿着管束，轴向应力变化缓慢。
图 15 管子和管板轴向应力分布（壳程侧）
总结上述分析，可以得知，管板承受较大的近似对称弯曲热应力，同时管板与壳体以及管板与管子连接处具有较大的热应力，管板中心具有最大的拉伸应力以及管板与壳体连接区域具有最大的压缩应力。管束和壳体的轴向应力除了在管板与壳体，或者管板与管子连接区域较大之外，其余区域变化比较平缓。
3 结论
本文利用一种基于FLUENT和ANSYS的分析模拟方法，利用FLUENT对流体流动和传热分析的结果，通过数据的插值计算处理，寻求在ANSYS中可以直接利用FLUENT输出数据的方法，避免了以往要对FLUENT的结果进行简化处理才能实现ANSYS中加载的困难，可以直接利用这种方法，对换热器进行了整体的热分析以及热应力分析，分析结果表明这种分析方法是有效的，模拟的结果符合换热器工作状态下的情况。利用CFD技术有利于在换热器工艺性能数值计算的基础上，进一步利用CFD的完整数据进行热-结构分析，这样得到的结果比现有的分析方法更接近换热器的实际运行状况，有利于深入进行优化设计和性能评估，对于研究和开发新型的管壳式换热器有着很好的应用前景。这种方法能有效模拟流固耦合问题，尤其是在具有耦合传热的系统中具有一定的优势。(end)
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(7/15/2009) |
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