FLUENT换热管流量分配计算方法详解

1 前言

管壳式换热器管程的物流先由外部接管流至管箱，再流至换热管，如下图所示，今天我们计算一下各个换热管的流量分配情况。

图1 管壳式换热器工作示意图

2 问题描述

建立如下的2D管壳式换热器，共8根换热管，直径20mm，管壁间距30mm。本次计算只考虑管程的介质流动情况，因此壳程域不建模，不进行换热计算。建模小技巧： 考虑到直接在ICEM里面建模不方便，可先在CAD软件画好草图，保存成dwg格式文件，再导入ICEM。

图2 二维管壳式换热器模型

图3 二维管壳式换热器网格

3 计算结果

管程介质为水，入口速度3m/s。另外，为了便于读取各换热管的流量，在各个换热管建立横截断面（边界条件设置为interior），湍流模型选择SST k-w，

速度收敛标准10-4，设置得苛刻，速度场分布更为合理，稳态计算有时候无法收敛，可先进行稳态计算，当残差曲线波动时，转为瞬态求解，这种处理方法可以获得很好得收敛性，但是计算时间加大。

单单根据残差判断收敛性可能是不够得，我们关心得是各换热管的流量，因此可以建立监视器，监视之前建立的横截面的质量流量，下图是某几根换热管的质量流量监测视图。

图4 换热管1的流量

图5 换热管4的流量

换热器管程压力分布如下图，同时我们计算出入口的压力分别为9702.0929Pa和0Pa，因此换热器管程的压降等于9.7kPa。

图6 压力分布

图7 出入口平均压力值

换热器管程的速度和流线分布如下图，可以看出换热管内的介质分配存在不均匀，隔板以上（介质流入换热器）区域，最上部的换热管流量较小，隔板以下（介质流出换热器）区域，最上部的换热管流量较小。

图8 速度和流线分布

我们再查看一下8根换热管（自上而下）的流量分配值，可以看出隔板以上的4根换热管流量分别为7.08kg/s、-21.10kg/s、-41.59kg/s和-34.23kg/s，净流量共-89.84kg/s。隔板以下的4根换热管流量分别为3.46kg/s、13.64kg/s、33.71kg/s和39.03kg/s，净流量共89.84kg/s。以上结果可以说明流量计算结果满足质量守恒定律，收敛性无问题。同时，可以发现，第一个换热管介质反向流动了，这一点我们也可以从速度矢量图中可以看出（图10）。

图9 换热管速度分配情况

图10 换热管1出现反向流动

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