艦船集成式換熱器殼程流場(chǎng)數(shù)值模擬

邱金榮，王俊榮，賈 臻

(1. 西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

換熱器是船用動(dòng)力裝置的重要組成設(shè)備，由于管殼式換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及密封性能良好等優(yōu)點(diǎn)，使得其在艦船動(dòng)力裝置中被廣泛采用[1-2]。同時(shí)利用集中冷卻方案可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備冷卻功能的集成，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)及設(shè)備配置，有力提高了艦船二回路系統(tǒng)總體集成優(yōu)化設(shè)計(jì)水平。因此艦船集成式換熱器具有較好的應(yīng)用前景。

由于數(shù)值模擬方法具有使用方便、靈活，研究和開發(fā)周期短，費(fèi)效比高等優(yōu)點(diǎn)，使其成為換熱器設(shè)計(jì)中的常用手段之一，1972 年P(guān)atan-kar 首先利用數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了換熱器傳熱與流動(dòng)模擬研究[3]。后續(xù)研究者通過不斷更新計(jì)算機(jī)硬件水平以及發(fā)展新的計(jì)算理論和方法，有效推進(jìn)了數(shù)值模擬在計(jì)算效率、準(zhǔn)確性等性能的全面提升[4-5]。

本文借助CFD 分析軟件，構(gòu)建合理的仿真模型，采用合理的計(jì)算方法和邊界條件，完成了某型艦船集成式管殼換熱器（結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示）的殼程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬仿真分析。

2 模型與計(jì)算方法

2.1 幾何模型

數(shù)值模擬分析對(duì)網(wǎng)格劃分要求很高，網(wǎng)格劃分品質(zhì)越高，數(shù)值仿真計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果的收斂性越好。本文在對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)充分研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了殼程流場(chǎng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型。集成換熱器模型結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，因此選用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為消除網(wǎng)格的疏密程度對(duì)模型計(jì)算結(jié)果的影響，根據(jù)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)算優(yōu)化結(jié)果選擇了最合適的精細(xì)化網(wǎng)格劃分方案構(gòu)建了完整的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格（如圖2 所示）。

圖 1 兩端組合集成式管殼換熱器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structural of two-section integrated shell-and-tube heat exchanger

圖 2 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格Fig. 2 Computation grid of heat exchanger

2.2 流場(chǎng)計(jì)算控制方程

質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程是數(shù)值模擬方法中常規(guī)應(yīng)用流場(chǎng)計(jì)算控制方程，本文數(shù)值模擬應(yīng)用的控制守恒方程如下：

連續(xù)方程

動(dòng)量方程

固體部分（導(dǎo)熱方程）

液體部分（對(duì)流方程）

流固耦合部分，耦合邊界上溫度連續(xù)

耦合邊界上的第三類邊界條件

2.3 計(jì)算方法與邊界條件

為了綜合平衡計(jì)算效率與計(jì)算精度，本文在數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)應(yīng)用計(jì)算方法如下：

1）計(jì)算模型，標(biāo)準(zhǔn)層流模型；

2）壓力和速度耦合算法，SIMPLE；

3）連續(xù)方程計(jì)算收斂條件，變量殘差達(dá)到10-3；

4）動(dòng)量方程計(jì)算收斂條件，變量殘差達(dá)到10-3；

5）能量方程計(jì)算收斂條件，變量殘差達(dá)到10-6。

同時(shí)，根據(jù)集成換熱器結(jié)構(gòu)特征，在模型構(gòu)建中設(shè)定邊界條件如下：

1）固體部分，銅質(zhì)換熱管；

2）流體部分，穩(wěn)態(tài)不可壓縮的水；

3）固壁面，無滑移靜止壁面；

4）換熱壁面，熱流量恒定第二類邊界；

5）對(duì)稱面，對(duì)稱邊界。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為了充分掌握某型艦船集成式管殼換熱器相關(guān)性能，本文結(jié)合集成換熱器初步設(shè)計(jì)相關(guān)性能參數(shù)，構(gòu)建數(shù)值仿真計(jì)算模型，完成了殼程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算，給出了對(duì)稱面和各橫截面上的熱流場(chǎng)，以全面反映換熱器殼程流動(dòng)以及傳熱特性。

在圖1 所示的計(jì)算區(qū)域中，流動(dòng)方向沿z 軸正方向，以右端面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)換熱器的左端和右端，在殼程流動(dòng)中z 方向上各折流板中間位置分別畫出橫截面，并給出各橫截面上的溫度、壓力和速度分布。

3.1 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析

集成換熱器左端和右端對(duì)稱面上的溫度分布如圖3和圖4 所示。由圖3 可見，左端被水平中間擋板分為上下兩半段，殼程流動(dòng)為二流程，換熱器中殼程介質(zhì)溫度沿流動(dòng)方向逐步降低，在出口附近溫度約35 ℃。由圖4 可見，在設(shè)計(jì)工況下，換熱器中右端殼程介質(zhì)溫度沿流動(dòng)方向逐步降低，在出口附近溫度約35 ℃。

左端Z 方向各典型橫截面上的溫度分布如圖5 所示。最后一個(gè)典型橫截面由于處于尾部均勻流動(dòng)區(qū)，因此該截面上溫度分布均勻。由于殼程設(shè)計(jì)為雙流程，在其他橫截面上存在2 個(gè)溫度均勻區(qū)，即具有較高溫度、離入口較近的下半段和溫度較低、離出口較近的上半段。

右端Z 方向各典型橫截面上的溫度分布如圖6 所示，選取的橫截面位置是相鄰折流板中間位置。由圖6可見，溫度在各橫截面上的分布比較均勻。由于右端殼程流體是從右端流入、右端流出，所以沿著流動(dòng)方向，即隨著Z 坐標(biāo)的減少，溫度逐漸降低。

圖 3 左端對(duì)稱面上的溫度分布Fig. 3 Distribution of the temperature of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 4 右端對(duì)稱面上的溫度分布Fig. 4 Distribution of the temperature of the fluid at the symmetry plane of the right part

圖 5 左端Z 方向橫截面上的溫度分布Fig. 5 Distribution of the temperature of the fluid at the Z cross-section of the left part

3.2 壓力場(chǎng)數(shù)值模擬分析

集成換熱器左端和右端對(duì)稱面上的壓力分布如圖7和圖8 所示。可知，殼程介質(zhì)壓力沿流動(dòng)方向逐步降低，壓力的降低具有一定的周期性規(guī)律，這一規(guī)律與折流板排布的幾何周期性相一致。

左端Z 方向各典型橫截面上的壓力分布如圖9 所示。右端Z 方向各典型橫截面上的壓力分布如圖10 所示。可知，各橫截面上壓力分布沿流動(dòng)方向逐漸降低。這一規(guī)律與圖7 和圖8 反映的現(xiàn)象相互吻合，折流板是換熱器流動(dòng)阻力的主要來源，其對(duì)換熱器殼程內(nèi)部流場(chǎng)阻礙作用顯著。

圖 6 右端Z 方向橫截面上的溫度分布Fig. 6 Distribution of the temperature of the fluid at the Z cross-section of the right part

圖 7 左端對(duì)稱面上的壓力分布Fig. 7 Distribution of the pressure of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 8 右端對(duì)稱面上的壓力分布Fig. 8 Distribution of the pressure of the fluid at the symmetry plane of the right part

圖 9 左端Z 方向橫截面上的壓力分布Fig. 9 Distribution of the pressure of the fluid at the Z cross-section of the left part

3.3 速度矢量數(shù)值模擬分析

集成換熱器左端和右端對(duì)稱面上的速度矢量圖如圖11 和圖12 所示?？芍?，折流板對(duì)流體的軸向流動(dòng)阻礙作用顯著，折流板處流體流速存在陡變現(xiàn)象，特別是在折流板圓缺處流體流速顯著提升。流動(dòng)方向各橫截面上的速度分布規(guī)律基本相同，故圖13 和圖14給出了典型橫截面上的速度分布，截面取自中間兩塊折流板之間，在折流板圓缺處流體流速顯著提升。流場(chǎng)分布比較均勻，但在折流板與換熱器殼體相切的區(qū)域形成了顯著的周向?qū)ΨQ環(huán)流，在換熱管四周存在小范圍的局部環(huán)流，但滯流效應(yīng)不顯著，不存在顯著的滯流區(qū)。

圖 10 右端Z 方向橫截面上的壓力分布Fig. 10 Distribution of the pressure of the fluid at the Z cross-section of the right part

圖 11 左端對(duì)稱面上的速度矢量圖Fig. 11 Velocity vector of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 12 右端對(duì)稱面上的速度矢量圖Fig. 12 Velocity vector of the fluid at the symmetry plane of the right part

4 結(jié) 語

本文借助CFD 軟件，在對(duì)某型集成式換熱器合理簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)值分析耦合傳熱模型，全面模擬了換熱器殼程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，仿真分析的主要結(jié)論如下：

1）換熱器設(shè)計(jì)比較合理，流動(dòng)區(qū)域中換熱比較均勻，折流板的使用對(duì)于換熱有強(qiáng)化作用。

圖 13 左端Z 方向典型橫截面速度矢量圖Fig. 13 Velocity vector of the fluid at the typical Z cross-section of the left part

圖 14 右端Z 方向典型橫截面速度矢量圖Fig. 14 Velocity vector of the fluid at the typical Z cross-section of the right part

2）殼程流體溫度與壓力沿流動(dòng)方向逐漸降低，這一規(guī)律與折流板排布相一致。

3）流動(dòng)阻力的主要來源來自于折流板，流體的軸向流動(dòng)受到折流板的阻擋作用顯著。

4）在流通截面突變對(duì)流動(dòng)的攪渾作用顯著，形成高速流動(dòng)區(qū)和回流滯流區(qū)，速度分布也具有周期性規(guī)律。速度分布也具有周期性規(guī)律。

本文研究全面反映了換熱器內(nèi)部流體流動(dòng)與傳熱細(xì)節(jié)信息，可有效發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，為換熱器性能的進(jìn)一步提升奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。