譽金機械運用CFD數(shù)值模擬方法，借助FLUENT數(shù)值模擬軟件對管殼式換熱器的三維模型進(jìn)行模擬，通過對換熱器結(jié)垢和泄漏時的速度場、溫度場等分析，得出泄漏和結(jié)垢對換熱器流動傳熱性能的影響，為下一步利用熱工參數(shù)評價換熱器結(jié)垢和泄漏提供理論依據(jù)。系統(tǒng)中的熱媒/水換熱器容易出現(xiàn)水質(zhì)不合格、操作不當(dāng)而引起管道水擊、水流速度過低以及垢下腐蝕等并終導(dǎo)致泄漏。主要內(nèi)容如下:    

1.管壁污垢對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律研究。    

(1)考慮管壁污垢傳熱的影響，建立管殼式換熱器的三維流動傳熱模型;

(2)研究油田原穩(wěn)站用油一油管殼式換熱器運行過程中，含砂對換熱器殼程流場分布的影響，研究殼程流場內(nèi)的含砂量分布情況;     

(3)研究結(jié)垢厚度對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律。

2.管殼式換熱器內(nèi)部換熱面泄漏對換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律研究。      

(1)建立管殼式換熱器換熱面泄漏的三維流動傳熱物理模型:    

(2)研究泄漏口尺寸對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律;    

(3)研究泄漏口位置沿?fù)Q熱器管長方向變化對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律;      

(4)研究泄漏口所在換熱管沿?fù)Q熱器管徑方向變化對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律;    

(5)研究泄漏口數(shù)量對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律。

單弓形折流板管殼式換熱器物理模型復(fù)雜，因此選用適應(yīng)性強的正四面體和金字塔形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用GAMBIT劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量直接決定了計算速度和精度。網(wǎng)格過少，將不到流場的流動特性;網(wǎng)格過多，一方面會嚴(yán)重消耗計算機資源，另一方面大量的數(shù)值耗散積累會影響計算結(jié)果的正確性。所以進(jìn)行網(wǎng)格的獨立性驗證時十分必要的。以一個單弓形折流板管殼式換熱器模型為例進(jìn)行網(wǎng)格獨立性驗證。換熱器管道的缺陷發(fā)生在支撐板附近，已成為鐵磁性換熱管重點監(jiān)測區(qū)域。共三套網(wǎng)格:換熱器整體均為四面體，終網(wǎng)格數(shù)量為1,521,014個;殼程為四面體網(wǎng)格，管程及殼程進(jìn)出口管為六面體網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為I ,952,621個;由面到體依次畫網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個。后面兩套網(wǎng)格計算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計算精度與計算花費，選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個。

換熱器內(nèi)砂沉積對結(jié)垢位置的影響    

換熱器內(nèi)管壁結(jié)垢主要受其液體介質(zhì)含砂濃度的影響，對管殼式換熱器殼程流場進(jìn)行了液一固兩相流數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果分析，確定換熱器的主要砂沉積位置。殼程為沙子和的兩相流動，沙子的粒徑根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)大約在0.2mm-O.}mm之間。本次研究選用沙子粒徑為0.2mm和0.4tn m，沙子的體積分?jǐn)?shù)選為10%，殼程進(jìn)口流速為0.7m/s，對管殼式換熱器的殼程流場進(jìn)行數(shù)值模擬。管殼式換熱器運行過程中的速度矢量分布，在換熱器運行過程中，換熱器殼程入口段的速度矢量值在0。砂子體積分布的位置選取結(jié)果為沿?fù)Q熱器管長方向的四個截面，其中，z=-0.7n:為管殼式換熱器殼程出I:l處的一個截而，z二一0.39m與z=0.016m為靠近管殼式換熱器折流板的一個截面，z=0.7m為管殼式換熱器殼程入I-I處的一個截面。

在換熱器整個殼程，固體砂子的體積分布整體比較均勻，為了數(shù)值模擬的方便，本課題忽略大粒徑固體砂局部沉積對其濃度分布的影響，將管殼式換熱器殼程內(nèi)部的結(jié)垢視為均勻結(jié)垢。油油管殼式換熱器運行一段時間后，殼程側(cè)表面會形成表面污塘層，由以上分析可知，認(rèn)為其為均構(gòu)。結(jié)果顯示，旋流片能起到擾流作用，并使流體強烈地沖刷傳熱管壁面強化傳熱。

本課題著重研究管殼式換熱器管壁結(jié)據(jù)對其傳熱性能的影響，且在實際生產(chǎn)過程中，中含砂率很低，所以在換熱器傳熱性能的影響研究中忽略了換熱器內(nèi)液固兩相流的影響，后續(xù)的數(shù)值模擬研宄中采用單相流模擬。對于單弓形折流板管殼式換熱器不同結(jié)據(jù)厚度的影響分析，鑒于本文所采用的物理模型特征，換熱管當(dāng)量結(jié)坂厚度較小，為保證污據(jù)層網(wǎng)格質(zhì)量，模擬對計算機的要求非常高。對于管殼式換熱器的流動傳熱特性，綜合以上，將己有的研究分為三部分:(1)利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對管殼式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了符合實際的換熱器流動傳熱性能。而當(dāng)量均拒只為分析結(jié)坂對換熱器傳熱性能的影響，本課題忽略結(jié)坂對換熱器內(nèi)部流場的影響，只考慮結(jié)塘對換熱面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊憽?