一种管壳式换热器多孔介质系数计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于计算流体力学及数值传热学领域，具体涉及一种数值计算参数计算方 法，尤其涉及一种管壳式换热器多孔介质系数计算方法。
【背景技术】
[0002] 管壳式换热器是工程中应用最为广泛的换热器类型。管壳式换热器由壳体、传热 管束、管板、折流板（挡板）和管箱等部件组成。对于工程中的大功率换热需求，某些管壳式 换热器被设计的相当巨大。为了强化传热以提高传热效率，需要增大换热面积并提高流动 速度。这就需要增加传热管数量，减小传热管间距并安装挡板以增加湍流强度。这样就在管 壳式换热器壳侧形成了细小狭长的通道，构成了二次侧流体的复杂流动空间。有数据表明， 对有500根换热管的换热器进行精确模拟大约需要1.5X10 8个控制容积。所以，使用精确 网格对有上千根传热管的大型管壳式换热器进行模拟，复杂且难以实现。为了实现对壳侧 流体整体的数值计算，需要引入多孔介质方法以减少计算网格数量。Patankar与Spalding 将管壳式换热器中的壳侧流动环境作为一种多孔介质，引入了分布式阻力（distributed resistance)的概念，完成了对壳管式换热器壳侧流场的数值模拟。在之后的研究中这一基 本思想经过进一步发展形成了三维多孔介质模型。如图1所示，把二次侧筒体划分成若干 个控制容积，控制容积的分界线为实线，图中示出了一个控制容积可能会包含多根管子的 情形。将每个控制容积看作多孔介质，管子就好像是多孔介质的骨架，管内流体与二次流体 的热交换看成是一种内部的热源。
[0003] 多孔介质模型的两个重要几何参数是多孔度和表面渗透率。多孔度是指单位体积 中流体空间所占的体积百分数，表面渗透率则是指在控制容积的表面上流体表面积所占的 百分率，在不同的方向上可能有不同的值。在管束几何结构确定后，不同控制容积中的多孔 度及表面渗透率原则上均可据几何结构计算而得。多孔介质模型中的另一个重要概念是分 布阻力，它是考虑由于二次侧管子固体表面的存在对流体流动所造成的动量损失，分布阻 力随结构、部位及方向而异，如沿轴向的分布阻力就不同于沿径向的分布阻力，这些值都是 从现有实验数据中获取的经验参数。采用多孔介质模型以后，一个控制容积（包含若干管 子表面）只有一个平均流速。为了引入合适的分布阻力以模拟管子存在对阻止流体流动的 影响，需要得到相对精确的多孔介质系数。
[0004] 多孔介质方法是对控制容积中的流动和传热状况进行的一种平均计算，因此只具 有平均意义，并不能反映在各个传热管之间的流动和传热细节。由于大型管壳式换热器内 部传热管数目多，在不同控制容积中有不同的分布，为了得到准确的计算结果，需要得到各 个网格的精确的多孔介质参数。目前国内外对于大型管壳式换热器使用多孔介质方法进行 数值模拟的已有很多。但数值计算中多孔介质参数往往对成千上万控制体选用定常参数或 逐一手动测量计算，得到的多孔介质参数不能反映模型的真实参数。这样不仅计算效率低， 且精度差，数值计算的结果不能表现出模型的真实流动换热信息。
【发明内容】
[0005] 本发明阐述了一种管壳式换热器多孔介质系数计算方法，可连续判断所有控制容 积的多孔介质系数，包括体积孔隙率和各个方向的表面渗透率。此方法可根据换热器的几 何参数及网格划分的几何参数对各个控制容积的多孔介质系数进行精确计算，在保证计算 精确度的情况下节省了手动计算的人力物力资源消耗，并且为模型的流场数值计算取得了 精确，真实的多孔介质参数。依据此多孔参数可得到大型管壳式换热器的整体流场，温度场 和含汽率分布，从而为换热器提供最佳给水比例设计参数，优化出口蒸汽分布。
[0006] 本方法实现了对于直角坐标和柱坐标的大型管壳式换热器各向异性的多孔介质 系数自动生成，为大型复杂换热设备的热工水力数值计算提供了精确方法，降低了多孔介 质系数手动计算的工作量，并大大提高了计算精度。本发明的技术方案如下：
[0007] -种管壳式换热器多孔介质系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] (1)根据模型几何参数建立管壳式换热器传热管位置计算模型；
[0009] (2)建立模型网格结构，计算各个控制体的网格参数；
[0010] (3)根据控制体的网格参数和传热管的位置参数计算控制容积内的传热管数目；
[0011] (4)计算传热管内均匀分布的N个点坐标，计算分布点位于控制容积内的比例，并 以此计算控制容积的体积孔隙率
【主权项】
1. 一种管壳式换热器多孔介质系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 根据模型几何参数建立管壳式换热器传热管位置计算模型； (2) 建立模型网格结构，计算各个控制体的网格参数； (3) 根据控制体的网格参数和传热管的位置参数计算控制容积内的传热管数目； ⑷计算传热管内均匀分布的N个点坐标，计算分布点位于控制容积内的比例，并以此 计算控制容积的体积孔隙2
(5)不重复地计算传热管的周向，径向投影面积，并以此计算控制容积的表面渗透率
其中，V是网格体积，丨是控制容积中流体所占容积，V 3是控制体内所有传热管所占容 积，是流体在i方向上的投影面积，足？是传热管在i方向上的投影面积，$ = (51/+^)7 是整个控制体在i方向上的投影面积。
2. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（1)中所述的模型几何参数包括外形尺 寸、管束坐标、管束外径及长度。
3. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（4)中控制体内所有传热管所占容积Vs 是控制体内的所有传热管体积加和得到的，每个传热管占据的控制体的体积％为：
其中，N为传热管直径范围内均匀分布的点数，M为位于控制体积内的坐标点。
4. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（5)中周向投影面积需要计算传热管在 某方向上的投影面积，计算步骤如下：对位于有效区域内的传热管按照中心坐标r值进行 排序，判断1号传热管的内径向位置是否位于控制体积内，若是，则流通面积增加，增 长量为传热管边缘到控制体边缘的面积；依次判断其它传热管的内径向坐标是否大于前一 传热管的外径向坐标。
5. 根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（5)中径向投影面积需要计算传热管在 某方向上的投影面积，计算步骤如下：对位于有效区域内的传热管按照中心坐标Θ值进行 排序，判断1号传热管的内径向位置^ $是否位于控制体积内，若是，则流通面积增加，增 长量为传热管边缘到控制体边缘的面积；依次判断其它传热管的左周向坐标是否大于前一 传热管的右周向坐标。
【专利摘要】本发明公开了一种管壳式换热器多孔介质系数计算方法，所述方法包括以下步骤：(1)根据模型几何参数建立管壳式换热器传热管位置计算模型；(2)建立模型网格结构，计算各个控制体的网格参数；(3)根据控制体的网格参数和传热管的位置参数计算控制容积内的传热管数目；(4)计算传热管内均匀分布的N个点坐标，计算分布点位于控制容积内的比例，并以此计算控制容积的体积孔隙率；(5)依次计算传热管的周向，径向表面渗透率。本方法可连续对控制容积的多孔介质系数进行计算，为管壳式换热器的数值计算提供真实精确的计算参数，得到反映真实流场信息的数值解，从而得到蒸汽发生器的最佳给水比例。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104657589
【申请号】CN201510024116
【发明人】陆道纲, 袁博, 隋丹婷, 曹琼, 张帆
【申请人】华北电力大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年1月16日