本发明专利技术公开了一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，包含以下步骤：采用几何建模软件对管壳式热交换器进行几何建模；利用网格划分软件对管壳式热交换器几何模型进行网格划分形成网格模型；将网格模型导入CFD软件中，并原位复制传热管束区网格作为二次管侧网格，并通过拼接面方法将二次管侧网格及其二次侧进出口区网格连通；在CFD软件设置用户自定变量，借助用户自定义函数，建立一二次侧网格间的映射关系；计算热交换器一二次侧网格控制体流场信息，计算对应网格控制体间的换热量；利用CFD软件的用户自定函数将换热量返回给能量方程源项；最后利用CFD软件进行迭代计算。本发明专利技术能实现以相对低的计算代价实现管壳式热交换器一二次侧的耦合传热计算。
Full 3D coupling simulation method of shell and tube heat exchanger based on finite volume theory
【技术实现步骤摘要】
基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法
本专利技术涉及到管壳式热交换器模拟
，具体涉及到一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法。
技术介绍
热交换器被广泛应用于能源、动力、核能、石油、制造、化工和加工处理等工程
，如进料换热器、蒸发器、冷凝器、再沸器、回热器等。管壳式热交换器是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，换热器结构简单、造价低、流动截面较宽，易于清洗水垢，能在高温、高压下使用，占整个换热器市场的30％左右，是应用最广的热交换器类型之一。对管壳式热交换器的实时运行性能进行准确预测分析具有重要意义。这类研究可以通过实验手段或者数值模拟的方法实现。然而核动力系统中涉及的热交换器或者体积异常庞大而造价高昂或者运行工况极端而实验困难。采用数值模拟的方法，以相对低廉的代价对热交换器进行性能评估或者结构优化设计具有重要价值。尽管近年来计算机计算能力大幅提升，然而基于有限体积理论对热交换器进行精细模拟仍旧是困难的。本文专利技术了一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，以多孔介质的方法建立热交换器两侧模型，并借助CFD求解器的用户自定义函数，建立管壳式热交换器两侧的网格映射关系，并计算热交换器两侧的换热量。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：基于有限体积理论对管壳式热交换器进行精细数值模拟，在当前的计算机计算能力下是不可接受的。本专利技术提供了一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，对换热核心区进行合理简化，允许研究人员在当前的计算能力下对管壳式热交换器进行三维耦合传热分析，进而实现对管壳式热交换器的性能评估与结构优化设计。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，包括管壳式热交换器实体建模方法、管壳式热交换器一次壳侧和二次管侧两侧数据交换方法、管壳式热交换器换热量计算方法三部分，具体步骤如下：步骤1：首先针对管壳式热交换器传热管束区进行几何简化，忽略管壳式热交换器传热管束区的密集换热管束、挡板、防震条细小结构，对传热管束区采用均匀几何打混处理，并以管壳式热交换器换热核心区一次侧的内壁面为边界建立完整均匀的传热管束区简化几何模型；在上述传热管束区简化几何模型基础上，针对管壳式热交换器一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区按照真实设计进行几何建模形成一二次侧进出口区真实几何模型；将传热管束区简化几何模型和一二次侧进出口区真实几何模型进行布尔合并操作，形成完整的管壳式热交换器几何模型，完整的管壳式热交换器几何模型包括一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区和传热管束区五部分；步骤2：针对步骤1中完整的管壳式热交换器几何模型中的五部分采用多域网格划分策略进行网格划分：首先对传热管束区进行网格划分，以确保传热管束区网格为规则有序的的六面体网格；其余部分则尽可能采用六面体网格，或采用四面体网格，最终形成可用的网格模型；步骤3：建立管壳式热交换器一、二次侧网格间的对应关系，具体步骤如下：步骤3-1：将步骤2中可用的网格模型导入CFD软件中，其中步骤2中划分的传热管束区网格作为管壳式热交换器一次壳侧网格；原位复制一次壳侧网格作为管壳式热交换器二次管侧网格，并采用拼接面方法，将二次管侧网格与管壳式热交换器二次侧进口区、二次侧出口区连通，形成完整的热交换器二次侧模型；在CFD软件中设置两个用户自定义变量，第一个用于记录控制体序号，第二个用于临时存储换热量；步骤3-2：采用CFD软件的用户自定义函数，按网格控制体序号给步骤3-1中的第一个用户自定义变量赋值；在用户自定义函数中创建一个全局的一维结构体数组，其长度与传热管束区一次壳侧网格控制体数目相同；其中一维结构体数组中的每个数组元素包含十六个浮点类型成员变量，依次为一次壳侧温度、一次壳侧x、y、z方向速度、一次壳侧密度、一次壳侧导热系数、一次壳侧对流换热系数、二次管侧温度、二次管侧x、y、z方向速度、二次管侧密度、二次管侧导热系数、二次管侧对流换热系数、两侧有效导热系数和两侧换热量；步骤3-3：在CFD软件并行计算中的各计算节点中遍历一、二次侧传热管束区网格控制体，并将网格控制体中的温度、x、y、z方向速度、密度、导热系数存入结构体数组中；为保证一二次侧对应控制体的数据存入相同的数组元素中，在调用结构体数组时以第一个用户自定变量值为结构体数组指标；最后根据CFD软件的用户自定义函数，将各计算节点上的结构体数组数据归并到CFD软件并行中计算的主节点中；步骤4：在CFD软件中，针对步骤3-1中传热管束区壳侧和管侧网格采用多孔介质模型，设置多孔介质参数渗透率、粘性阻力系数和惯性阻力系数；步骤5：根据步骤3归并到CFD软件计算中的主节点中的数据计算热交换器一二次侧的换热量，并将换热量返回给各计算节点中传热管束区对应控制体，具体步骤如下：步骤5-1：在主节点中遍历步骤3-2中结构体数组的数组元素，根据密度、比热容、导热系数分别计算热交换器一次壳侧表面对流换热系数ho、二次管侧表面对流换热系数hi，并根据圆管导热方程计算热交换器两侧的有效换热系数k；热交换器两侧的表面对流换热系数及两侧有效传热系数计算方法如下：热交换器一次管侧：热交换器二次壳侧：热交换器两侧有效传热系数：上式中，Nui、Nur、Nuz分别为管侧流动、壳侧横掠、壳侧纵掠努塞尔数，具体地，Nui＝6.0+0.006Pei、Nur＝6.0+0.006Peo、Ur、Uz分别为壳侧径向流速、壳侧轴向流速，d、ε分别为换热管外径、换热管壁厚；kf为流体导热系数、λ为换热管束导热系数，k为热交换器两侧有效传热系数；Peo、Pei分别为壳侧和管侧贝克莱数，具体地，ρ为密度，Cp为定压比热容；最后按照以下公式计算热交换器一二次对应控制体间的换热量：Q＝kAs(To-Ti)(4)上式中，Q为换热量，k为热交换器两侧有效换热系数，As为热交换器换热面积密度，To、Ti为热交换器壳侧、管侧流体温度；步骤5-2：将主节点中的结构体数组共享到各计算节点：遍历各计算节点中传热管束区网格控制体，以网格控制体的第一个用户自定义变量为结构体数组指标，提取结构数组中的换热量数据，并赋值给步骤3-1中定义的第二个用户自定义变量；在将换热量赋值给热交换器一次壳侧网格控制体时，应取负值；赋值给二次管侧网格控制体时取正值；随后在用户自定义源项中将第二个用户自定义变量值赋给能量方程；步骤6：在CFD软件中求解N-S方程，当监测到热交换器换热量变化小于1％，则判定计算收敛，终止计算；否则，重复步骤3-3到步骤6。有益效果相比公开文献中常见的热交换器模拟方法，本专利技术带来以下有益效果：1)本专利技术方法不需要对换热管束区域进行精细建模，极大降低了几何模型和网格模型的建立难度，削减了热交换器耦合传热模拟的计算量；2)在换热本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，其特征在于：包括管壳式热交换器实体建模方法、管壳式热交换器一次壳侧和二次管侧两侧数据交换方法、管壳式热交换器换热量计算方法三部分，具体步骤如下：/n步骤1：首先针对管壳式热交换器传热管束区进行几何简化，忽略管壳式热交换器传热管束区的密集换热管束、挡板、防震条细小结构，对传热管束区采用均匀几何打混处理，并以管壳式热交换器换热核心区一次侧的内壁面为边界建立完整均匀的传热管束区简化几何模型；在上述传热管束区简化几何模型基础上，针对管壳式热交换器一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区按照真实设计进行几何建模形成一二次侧进出口区真实几何模型；将传热管束区简化几何模型和一二次侧进出口区真实几何模型进行布尔合并操作，形成完整的管壳式热交换器几何模型，完整的管壳式热交换器几何模型包括一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区和传热管束区五部分；/n步骤2：针对步骤1中完整的管壳式热交换器几何模型中的五部分采用多域网格划分策略进行网格划分：首先对传热管束区进行网格划分，以确保传热管束区网格为规则有序的的六面体网格；其余部分则尽可能采用六面体网格，或采用四面体网格，最终形成可用的网格模型；/n步骤3：建立管壳式热交换器一、二次侧网格间的对应关系，具体步骤如下：/n步骤3-1：将步骤2中可用的网格模型导入CFD软件中，其中步骤2中划分的传热管束区网格作为管壳式热交换器一次壳侧网格；原位复制一次壳侧网格作为管壳式热交换器二次管侧网格，并采用拼接面方法，将二次管侧网格与管壳式热交换器二次侧进口区、二次侧出口区连通，形成完整的热交换器二次侧模型；在CFD软件中设置两个用户自定义变量，第一个用于记录控制体序号，第二个用于临时存储换热量；/n步骤3-2：采用CFD软件的用户自定义函数，按网格控制体序号给步骤3-1中的第一个用户自定义变量赋值；在用户自定义函数中创建一个全局的一维结构体数组，其长度与传热管束区一次壳侧网格控制体数目相同；其中一维结构体数组中的每个数组元素包含十六个浮点类型成员变量，依次为一次壳侧温度、一次壳侧x、y、z方向速度、一次壳侧密度、一次壳侧导热系数、一次壳侧对流换热系数、二次管侧温度、二次管侧x、y、z方向速度、二次管侧密度、二次管侧导热系数、二次管侧对流换热系数、两侧有效导热系数和两侧换热量；/n步骤3-3：在CFD软件并行计算中的各计算节点中遍历一、二次侧传热管束区网格控制体，并将网格控制体中的温度、x、y、z方向速度、密度、导热系数存入结构体数组中；为保证一二次侧对应控制体的数据存入相同的数组元素中，在调用结构体数组时以第一个用户自定变量值为结构体数组指标；最后根据CFD软件的用户自定义函数，将各计算节点上的结构体数组数据归并到CFD软件并行中计算的主节点中；/n步骤4：在CFD软件中，针对步骤3-1中传热管束区壳侧和管侧网格采用多孔介质模型，设置多孔介质参数渗透率、粘性阻力系数和惯性阻力系数；/n步骤5：根据步骤3归并到CFD软件计算中的主节点中的数据计算热交换器一二次侧的换热量，并将换热量返回给各计算节点中传热管束区对应控制体，具体步骤如下：/n步骤5-1：在主节点中遍历步骤3-2中结构体数组的数组元素，根据密度、比热容、导热系数分别计算热交换器一次壳侧表面对流换热系数h...
【技术特征摘要】
1.一种基于有限体积理论的管壳式热交换器全三维耦合模拟方法，其特征在于：包括管壳式热交换器实体建模方法、管壳式热交换器一次壳侧和二次管侧两侧数据交换方法、管壳式热交换器换热量计算方法三部分，具体步骤如下：
步骤1：首先针对管壳式热交换器传热管束区进行几何简化，忽略管壳式热交换器传热管束区的密集换热管束、挡板、防震条细小结构，对传热管束区采用均匀几何打混处理，并以管壳式热交换器换热核心区一次侧的内壁面为边界建立完整均匀的传热管束区简化几何模型；在上述传热管束区简化几何模型基础上，针对管壳式热交换器一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区按照真实设计进行几何建模形成一二次侧进出口区真实几何模型；将传热管束区简化几何模型和一二次侧进出口区真实几何模型进行布尔合并操作，形成完整的管壳式热交换器几何模型，完整的管壳式热交换器几何模型包括一次侧进口区、一次侧出口区、二次侧进口区、二次侧出口区和传热管束区五部分；
步骤2：针对步骤1中完整的管壳式热交换器几何模型中的五部分采用多域网格划分策略进行网格划分：首先对传热管束区进行网格划分，以确保传热管束区网格为规则有序的的六面体网格；其余部分则尽可能采用六面体网格，或采用四面体网格，最终形成可用的网格模型；
步骤3：建立管壳式热交换器一、二次侧网格间的对应关系，具体步骤如下：
步骤3-1：将步骤2中可用的网格模型导入CFD软件中，其中步骤2中划分的传热管束区网格作为管壳式热交换器一次壳侧网格；原位复制一次壳侧网格作为管壳式热交换器二次管侧网格，并采用拼接面方法，将二次管侧网格与管壳式热交换器二次侧进口区、二次侧出口区连通，形成完整的热交换器二次侧模型；在CFD软件中设置两个用户自定义变量，第一个用于记录控制体序号，第二个用于临时存储换热量；
步骤3-2：采用CFD软件的用户自定义函数，按网格控制体序号给步骤3-1中的第一个用户自定义变量赋值；在用户自定义函数中创建一个全局的一维结构体数组，其长度与传热管束区一次壳侧网格控制体数目相同；其中一维结构体数组中的每个数组元素包含十六个浮点类型成员变量，依次为一次壳侧温度、一次壳侧x、y、z方向速度、一次壳侧密度、一次壳侧导热系数、一次壳侧对流换热系数、二次管侧温度、二次管侧x、y、z方向速度、二次管侧密度、二次管侧导热系数、二次管侧对流换热系数、两侧有效导热系数和两侧换热量；
步骤3-3：在CFD软件并行计算中的各计算节点中遍历一、二次侧传热管束区网格控制体，并将网格控制体中的温度、x、y、z方...
【专利技术属性】
技术研发人员：张大林，王心安，周磊，王式保，秋穗正，田文喜，苏光辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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