高效單旋式換熱器入口分布器氣液混合數(shù)值研究

胡興苗 張賢安 胡霄樂 李軍杰

鎮(zhèn)海石化建安工程有限公司 （浙江寧波 315207）

對于高效單旋式換熱器，在特定工況下，氣液兩相介質(zhì)并未在管道中混合，而是分別從不同管口進(jìn)入設(shè)備；在流體進(jìn)入換熱管前，需設(shè)置合理的入口分布器，使兩相流得以均勻混合。氣液兩相混合均勻與否會(huì)在很大程度上影響換熱管內(nèi)流體的分配，如因混合不均勻出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，會(huì)降低設(shè)備的換熱效率。

目前，國內(nèi)外對該類型分布器的研究較少。采用實(shí)驗(yàn)方法對工程實(shí)踐的設(shè)備入口分布器內(nèi)兩相流體的分布情況進(jìn)行研究，不僅存在一定的危險(xiǎn)性與缺陷，還將耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本。本研究基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真技術(shù)，針對高效單旋式換熱器的一種入口分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過流場分析，可較為全面地獲取入口分布器內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)與混合狀態(tài)，并為后續(xù)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品升級提供一定的指導(dǎo)。

圖1 入口分布器計(jì)算模型

1 理論基礎(chǔ)與模型建立

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

入口分布器主要由導(dǎo)流筒、多孔篩板及中心管等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。

氣相由入口進(jìn)入，流經(jīng)導(dǎo)流筒后，從多孔篩板進(jìn)入混合區(qū)域；液體則由中心管進(jìn)入，流經(jīng)開孔區(qū)域，噴入混合區(qū)域。氣液兩相在混合區(qū)域混合均勻后進(jìn)入管板換熱管中，其氣液兩相物性數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 氣液兩相物性數(shù)據(jù)及入口流量

基于ANSYS Workbench平臺(tái)，建立入口分布器的幾何模型，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。該物理模型將分布器、管箱筒體及氣液進(jìn)出口作為一個(gè)整體考慮，其難點(diǎn)之一在于如何劃分入口分布器的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 入口分布器幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格示意圖

由圖2（a）可知，該分布器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化形式易生成四面體網(wǎng)格，但其大部分網(wǎng)格界面與流體流向不垂直，因而會(huì)影響計(jì)算精度?；谏鲜隹紤]，本次模擬采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對分布器進(jìn)行分割，使各部分結(jié)構(gòu)相對規(guī)整，進(jìn)而分區(qū)域劃分六面體網(wǎng)格[1]。同時(shí)，在多孔篩板和中心管開孔區(qū)域適當(dāng)加密網(wǎng)格，最終得到的網(wǎng)格數(shù)約為4.7×105，如圖2（b）所示。通過調(diào)整網(wǎng)格疏密對模擬結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，模擬結(jié)果變化不大。

1.2 多孔介質(zhì)模型

由于多孔篩板存在上萬個(gè)孔，對其進(jìn)行真實(shí)建模計(jì)算不可行，因而采用多孔介質(zhì)模型[2]對其進(jìn)行求解。在多孔介質(zhì)模型整體尺寸的計(jì)算中，多孔篩板的壓降問題是關(guān)鍵。由經(jīng)驗(yàn)公式（1）可見，在流體密度、流量及孔板厚度一定的情況下，多孔介質(zhì)阻力系數(shù)與壓降成正比。

式中：C2表示多孔介質(zhì)阻力系數(shù)；ρ表示氣體密度，kg/m3；v表示孔板名義流速，m/s；qV表示氣體體積流量，m3/s；A 表示孔板面積，m2；δ表示孔板厚度，m；p表示孔板壓降，Pa。

為獲取多孔篩板的壓降數(shù)據(jù)，采用縮小尺寸的測壓模型進(jìn)行計(jì)算，即維持邊界條件和物性參數(shù)基本不變，改變?nèi)肟诹髁?，以線性尺寸的平方關(guān)系縮小一定比例，盡可能地還原真實(shí)情況，如圖3所示。針對測壓模型在流場、速度場（包括過孔速度等）及壓力場的分布等方面的模擬，可以較好地體現(xiàn)真實(shí)結(jié)構(gòu)的情況。當(dāng)然，誤差是不可避免的，例如孔板靠近壁面的部分會(huì)存在一定程度的失真。

圖3 多孔篩板縮小尺寸測壓模型示意圖

由公式（2）可得，孔隙率ε=0.04。維持孔隙率ε和小孔直徑d不變，令孔數(shù)n=97，計(jì)算得到測壓模型直徑D=200 mm；令L=4D=800 mm，則可確定測壓模型的幾何結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格并局部加密，如圖4所示。

圖4 測壓模型幾何結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格示意圖

在計(jì)算多孔介質(zhì)阻力系數(shù)時(shí)，選用表觀速度作為多孔區(qū)域內(nèi)的流體流速；在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，流體流經(jīng)多孔區(qū)域的真實(shí)速度會(huì)因條件不同而改變，因而較少采用。

1.3 計(jì)算條件及模型設(shè)定

對于不可壓縮的牛頓流體，在宏觀熱能守恒的假設(shè)下，分布器內(nèi)流體流動(dòng)必須滿足三大方程，即連續(xù)性方程、納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程、能量方程。

（1）測壓模型設(shè)定

測壓模型內(nèi)介質(zhì)為氣體，其穩(wěn)定工作時(shí)，可看作定常流動(dòng)。定義入口為速度入口邊界，可根據(jù)公式v=qm/ρA計(jì)算求得；定義出口為壓力出口邊界，給定靜壓，并允許適當(dāng)?shù)幕亓?。采用k-ε模型考慮湍流效應(yīng)對流動(dòng)的影響，并采用高階精度離散格式進(jìn)行求解，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）入口分布器設(shè)定

分布器內(nèi)介質(zhì)為氣液兩相流，在穩(wěn)定工作時(shí)，可看作定常流動(dòng)。定義兩相入口均為流量入口邊界，可根據(jù)實(shí)際工況確定流體流量；定義分配器出口為壓力出口邊界，給定靜壓，并允許適當(dāng)?shù)幕亓鳌Ｈ肟诨旌戏植计?、封頭、管箱內(nèi)壁等定義為不可滲透、無滑移絕熱邊界條件。由于氣液混合流動(dòng)，故采用均相模型去等效，并采用k-ε湍流模型進(jìn)行求解。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 測壓模型壓力分布特征

圖5為測壓模型對稱截面上的壓力分布云圖。由圖5可知，氣相進(jìn)出口壓降約為5.2 kPa，其阻力降主要在孔板區(qū)域產(chǎn)生。由經(jīng)驗(yàn)公式（1）可得多孔介質(zhì)阻力系數(shù)C2=4.65×105，該值為后續(xù)分布器多孔篩板采用多孔介質(zhì)模型提供了理論基礎(chǔ)。

圖5 測壓模型對稱截面壓力分布云圖

2.2 浮力模型對分布器內(nèi)流場的影響

圖6為入口分布器在有無設(shè)置浮力模型下模擬得到的液相流線分布情況。浮力是密度擾動(dòng)量的函數(shù)，密度擾動(dòng)量為實(shí)際密度與參考密度的差值[3]。圖6（a）為未設(shè)置浮力模型時(shí)，可知，液相流線較為規(guī)整，液體由中心管開孔區(qū)域流出后，在氣體的夾帶下，呈葫蘆狀離開分布器向管板聚集，其流動(dòng)靠近中心區(qū)域；在設(shè)置浮力模型后，由圖6（b）可以看到，液體流動(dòng)占據(jù)分布器大部分混合區(qū)域，靠近中心處速度流線較紊亂，出現(xiàn)了漩渦流。

圖6 有無浮力模型的入口分布器液相流線分布對比

圖7顯示了入口分布器在有無設(shè)置浮力模型下模擬得到的出口截面液相體積分?jǐn)?shù)分布。圖7（a）中的液相體積分?jǐn)?shù)由中心沿徑向逐級遞減，至一定距離后，不存在液體分布；而圖7（b）中的液體主要分布在截面靠近外側(cè)區(qū)域，靠近中心部分分布較少。

圖7 有無浮力模型的出口截面液相體積分布

顯而易見，由中心管噴出的液體，由于密度遠(yuǎn)大于氣體，會(huì)出現(xiàn)下沉的趨勢，而經(jīng)過多孔篩板的氣體則向上托起液體。與此同時(shí)，靠近中心管區(qū)域（內(nèi)側(cè)）液體較多，不易夾帶，而遠(yuǎn)離中心管區(qū)域（外側(cè)）液體較少。因此，少量液體由外側(cè)被氣體向上攜帶，內(nèi)側(cè)液體逐漸向外側(cè)流動(dòng)，被攜帶的部分液體由于中心區(qū)域氣體較少而向下回落，形成回流旋渦。由此可見，由密度差異引起的自然對流對分布器內(nèi)氣液兩相混合的影響很大，不可忽略。

2.3 入口分布器氣液分布特征

為考慮兩相混合過程中密度差異引起的自然對流問題，模擬應(yīng)啟用浮力模型，并給定相應(yīng)的參考密度，以避免計(jì)算過程中的舍入誤差。

圖8顯示了入口分布器內(nèi)的氣液兩相流線分布。由圖8可知：氣體在進(jìn)入分布器后，流線出現(xiàn)擴(kuò)散、回流等現(xiàn)象，流動(dòng)極為復(fù)雜；但經(jīng)過多孔篩板后，其流動(dòng)方向基本一致，且分布較為均勻?？梢姡嗫缀Y板對于氣相均布起到重要的促進(jìn)作用。

圖8 入口分布器內(nèi)氣液兩相流線分布圖

圖9顯示了分布器內(nèi)氣液兩相的速度和流線分布。由圖9可知，在入孔板前氣相速度分布不均勻，過孔板后速度分布趨于均勻，但由于氣液兩相的自然對流，中心管附近氣相流動(dòng)呈無規(guī)則旋流狀，外側(cè)氣相流速較大，易夾帶液體。

圖9 入口分布器氣液兩相速度分布圖

圖10顯示了出口截面氣液兩相體積分?jǐn)?shù)分布。由圖10可知，液體主要靠近外側(cè)區(qū)域分布，中心管區(qū)域分布較少，氣液混合有待進(jìn)一步優(yōu)化。

3 結(jié)論

通過對高效單旋式換熱器入口分布器進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，得到如下結(jié)論：

（1）在氣液兩相流動(dòng)中，為考慮由密度差異引起的自然對流問題，模擬過程應(yīng)啟用浮力模型，并設(shè)置相關(guān)參考密度，以避免計(jì)算舍入誤差。

（2）在入孔板前氣相速度分布不均勻，過孔板后速度分布趨于均勻，可見多孔篩板對于氣相均布起到重要的促進(jìn)作用。由于自然對流的影響，液體主要靠近外側(cè)區(qū)域分布，中心管區(qū)域分布較少，氣液混合有待進(jìn)一步優(yōu)化。

采用CFD技術(shù)對入口分布器進(jìn)行模擬分析，較好地彌補(bǔ)了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)試驗(yàn)困難的不足，同時(shí)也為相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和解決方案。

圖10 出口截面氣液兩相體積百分率分布圖