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用ANSYS和FLUENT进行管壳式换热器整体分析作者：郭崇志林长青利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发 和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流 体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难而对换热器的结构性能进行准确分析一 般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热器的流体流动与传热和结构性能分析就 更加困难有关管壳式换热器的温度场研究，目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差 应力、以及由此导致的结构强度等问题，通常利用 ANSYS 大型商用软件行管壳式换热器 管板结构的温度场研究，采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用 已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据 或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算，因此是产生结 果计算偏差的主要原因之一目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度 场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用FLUENT和ANSYS软件对一台固定 管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首 先从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT软件进行换热器流体流动与传热的工 艺状况数值模拟。

然后把FLUENT软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成 温度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件从而实现了管壳式换 热器的 FLUENT 和 ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件下换 热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算与结构分析计算完整 地结合在一起，计算精度更高1 CFD 数值模拟本文研究的换热器结构示意如图 1 所示，在对实际结构进行合理简化的基础上，以影响流 动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型，采用分段模拟、整 体综合的方法，利用FLUENT软件对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行数 值模拟[8] ，得到计算流道上有关各个构件的壁温场分布图 1 换热器结构示意图CFD 模型正常工作状态下换热器的管程介质为饱和水蒸汽，蒸汽温度为110°C壳程介质为自来水, 壳程流体进口速度为 Vint=0.3m/s 如果完全按照实际结构建立计算模型，势必给建模以 及数值分析计算带来不便，因此在数值计算之前，需要对换热器中对温度场（即流体流动） 有影响的结构以及变形相互之间受到约束的构件进行分析，然后对整体结构进行适当简化 根据换热器的安装和放置方式，运行中的换热器的结构关于垂直中心线对称，故建立对称 模型。

在本文研究的换热器中，影响传热（温度场）的主要结构有导流筒、换热管、折流 栅、管板、壳体，而变形受到约束的结构构件，主要有高温端和低温端管板、换热管束、 壳程筒体因此实际建模中，模型应该包括对温度分布造成影响的结构以及产生热变形时 受到约束的结构整台换热器的温度场数值计算模型由导流筒流道（进口段和出口段）和 折流栅流道（总共六段）组成1.2 边界条件及求解对于三维流场数值计算的边界条件，一般分为入口边界条件、出口边界条件、固体壁面及 对称面四大类型对于本文计算模型，边界条件的确定如下：入口边界条件：正常工作条件下，换热器壳程进口（接管）速度往往是给定的，同时考虑 到壳程为不可压缩流体，故给出速度进口条件折流栅流道的入口边界根据上一流段的出 口速度分布来给定出口边界条件：对于进口段模型其出口边界可定义为自由出流对于折流栅段，经试算后 发现设置出口自由出流的边界条件也适宜固体壁面：直接将固体壁面定义为非滑移（静止）壁面壳程内件及壳体外壁面定为绝热边界，对于蒸汽流过的通道表面则为恒壁温在换热器中壳程内流体一般呈湍流流动状态本文模拟的换热器壳程流体流动的雷诺数Re=3060 ,因此在进行模拟计算时，需要考虑为其建立合适的湍流模型。

工程上常用的是 k-£模型，考虑到RNG k七模型对于解这类问题的优越性，因此选择RNG k七模型进行 分析求解本文计算模型中壳程流体不可压缩，不考虑体积力，因此选择分离求解器，可 以更快得到收敛解在分离求解器中对流项的离散方法上，在计算时根据模型的情况适当 结合一阶和二阶精度进行1.3 CFD 模拟结果 通过数值模拟计算，可以知道换热器内部的流动和传热状况，可以获得流体或壁面的速度 分布，温度和压力分布，还可以输出FLUENT的温度场分析结果作为ANSYS输入文件, 为ANSYS结构分析建立所需的边界条件，图2〜图5给出了 Flue nt中典型且有代表性 分段模型的壁面温度场分布图 2 入口段 CFD 模拟温度场分布iXriRa Qbfc "kmc iu M il.Em图 3 入口段管子及管板 CFD 模拟温度场分布图 4 折流栅段（四） CFD 模拟温度场分布图 5 折流栅段（四）管子 CFD 模拟温度场分布2 ANSYS 有限元分析2.1 CFD 结果数据插值本文所要解决的问题其实是要让边界条件能够从 FLUENT 软件传递到 ANSYS 软件中 除了文件格式的不同外，最大的问题是网格不一致°CFD网格和FEA网格往往不会一致, 在CFD里面得到结果后，需要把边界上的值从CFD流体网格映射到FEA固体网格上。

在 CFD 里面做了流体和固体耦合传热分析后，需要把固体部分的温度输出转化到对应的 ANSYS模型，以便做热应力分析而ANSYS里面的子模型操作命令（BFINT）可以把 温度自由度从一个网格直接映射到另一个网格此时传热分析和结构分析可以使用两套不 同的网格首先建立ANSYS的固体结构模型，模型的形状及位置与FLUENT中固体模型部分相吻 合，以便边界的节点能得到好的插值结果，为了能够跟CFD模型对应，ANSYS中也采 用分段划分网格的方法离散模型从ANSYS换热器模型中输出相应各段边界节点文件， 用这些节点文件进行温度插值从CFD软件输出固体温度时会得到一个cdb文件可以 根据需要对这个文件进行修改，之后读进温度文件在 ANSYS 中生成表面效应单元，并求 解在后处理器中执行BFINT命令对输出的节点进行插值，会得到一个包含节点温度插 值结果的bfin文件，直接将bfin文件读到ANSYS有限元固体模型中这样，CFD模拟 的温度场结果就通过节点插值直接加到ANSYS的有限元模型上了，也就得到了后续热分 析以及结构分析所需的边界条件2.2 ANSYS 热分析本文利用 ANSYS 对换热器进行热—结构耦合分析时，采用间接耦合方法分析温差热应力， 即首先通过上述插值的方法得到有限元模型所需要的温度边界条件，读入 bfin 文件到 ANSYS有限元固体模型中，把CFD模拟的温度场结果通过节点插值直接加到ANSYS的 有限元模型上。

然后就可以对已经施加边界节点温度的换热器模型进行热分析，结果得到 换热器模型温度场分布，如图6-9通过比较图2-5与图6-9的结果可以看出，CFD温 度场结果与ANSYS热分析的温度场分布差别甚微，说明节点的插值过程误差很小这就 从换热器流体力学及传热的角度得到了有限元结构分析所需要的准确的温度分布为利用 Flue nt的计算结果在ANSYS中进一步研究换热器的温差应力提供了保证由图 6-9 可见，换热器管板沿轴向的温度梯度变化剧烈；而在管板径向的温度分布规律为 自中心往外逐渐减小管板和壳体连接处的温度梯度较大，在换热管和管板连接区域温度 变化很明显；壳体整体上温度变化较平缓管子外壁面温度沿流体流动方向逐渐升高，变 化缓慢其中图 6，图 7 显示了入口段壳体和管束的壁温变化，由于壳体与主要与冷流体接触，整 体温度较低，变化也较缓和，而在壳体与管板连接区域，管板高温侧和管子内壁的温度较 高，壳程流体温度较低，出现由管程到壳程的急剧温度变化壳体温度沿着周向的分布比 较均匀，接近轴对称温度分布模式由于入口段冷热流体温差较大，流体从入口接管流经 导流结构，管板壳程侧，然后沿着管束的方向流动，流体多次改变流向和分布情况，因此 入口段管子壁温变化较急剧，局部温差变化较大，在热端温度较高且相对均匀。

入口段管 板壳程侧的温度变化较大，分布不均匀图 6 入口段 ANSYS 温度场分布图 7 入口段管子及管板温度分布图 9 给出了典型的折流栅段的管束壁温分布，从中可见沿着管子轴线方向和圆周方向，局 部温度分布明显不同，尤其是在有折流杆的部位，温度分布出现明显的变化，这说明，常 规换热器设计计算中，采用面积平均温度的缓慢变化曲线来说明沿着流道均匀缓慢的温度 变化是近似的和经验的，由于通过入口段后的流体得到充分发展，流道形状变化不大，流 体分布的变化较小，因此管束在这些充分发展的流道内，由面积平均得到的温度变化均匀 而缓慢但是实际上由于存在内件，局部温度变化是十分明显的图8折流栅段（四）ANSYS温度场分布图9折流栅段（四）管子ANSYS温度场分布图 10 给出了换热器外壳的温度场，可见在两接管之间的壳程区域，沿着壳程流体从进口 到出口的流动方向，外壳的壁面温度是连续缓慢升高的，两端的管箱具有较高的温度总 体上看，壳程沿着轴线方向的温度分布近似满足轴对称条件图 10 换热器壳体温度分布2.3 ANSYS 热应力分析热分析从整体上分析管壳式换热器工作状态下温度场，从输出的结果可见，换热器的管板、 管束和壳体三大约束构件之间由于存在装配与工作条件之间的温差，以及管程和壳程之间 流体温差，均会导致热应力。

图 11 给出了管束、壳体与管板连接区高温端的热应力分布，从图中可见，管板的两个侧 面附近具有较大的应力，而管板中心部位的应力较小，这提示管板承受了典型的弯曲应力 而由于中心部位温度高，管子热膨胀较大，从而受到管板的约束较大，因此，所产生的热 应力也较大，其次，在管板与壳体连接的区域，也存在较大的热应力，从变形特征看，管 箱侧应存在较大的压缩应力，这些结果与常规固定管板换热器的应力分析结果是一致的图 11 管束、壳体与管板的应力分布图 12 给出了壳体轴向热应力的变化情况，图中可见，除了在与管板连接区域存在较大的 热应力外，壳程的其余部分的温差热应力并不是很大图12冗体轴向（Z）应力分布图 13 和图 14 给出了热端管板在管程侧和冗程侧的热应力分布，可见，管板的热应力呈 现中心高，布管区边缘低，而与冗体连接区热应力高的特点结合变形的性质，可知对于 管箱一侧的管板，中心部位呈现最大拉伸应力，而与冗体连接区域出现压缩最大应力，布 管区与不布管区域的结合处应力出现转折即由拉伸转化为压缩，这与一般理论分析得到的 结果大致吻合图 13 管板应力分布（管程侧）图 14 管板应力分布（壳程侧）图 15 给出了管子和管板的轴向应力分布情况，图中可见，轴向应力的最大值发生在管子 与管板以及管板与壳体连接的区域，由于本文管板不兼法兰，管板与壳体连接的整体性较 高，因此，最大的拉脱力将出现在管子与管板连接部位，尤其是管板的中心部位。

此外， 沿着管束，轴向应力变化缓慢图 15 管子和管板轴向应力分布（壳程侧）总结上述分析，可以得知，管板承受较大的近似对称弯曲热应力，同时管板与壳体以及管板与管子连接处具有较大的热应力，管板中心具有最大的拉伸应。