Численное моделирование параметров теплоносителей в теплообменниках геликоидной формы

Аннотация

Статья посвящена численному моделированию теплообменных процессов в теплообменнике геликоидной формы. Здесь используется интенсифицированный теплообменник. Это теплообменник, представляющий собой закреплённый в спиральношовном корпусе пучок профилированных трубок (в данной статье представлен случай одной трубки для нагреваемого и одной трубки для нагревающего теплоносителей) из коррозионностойкого материала, через стенки которых осуществляется теплопередача от потока греющей среды к потоку нагреваемой. Трубки имеют геликоидный профиль. Основное отличие теплообменников такой конструкции заключается именно в профилированной теплообменной поверхности трубок. В работе применен гибридный подход: получение зависимостей при сложных переходных процессах течения теплоносителя (нефти) с сильно изменяющейся вязкостью из численного эксперимента и построение замкнутой математической модели теплообмена для теплообменника. В работе приведены результаты расчетов температурного поля нефти в зависимости от различных гидродинамических параметров. Численное моделирование динамики нефти решалось в программном комплексе Ansys Fluent, где были использованы стационарные уравнения Навье-Стокса, осредненные по Рейнольдсу. Численное моделирование течения жидкости и теплопередачи включает численное решение уравнений непрерывности, импульса и переноса энергии в вычислительной области в декартовых координатах. Для дискретизации основных уравнений используется метод конечных объемов на неструктурированных сетках и метод Coupled. Дискретизация невязких потоков осуществляется при помощи схемы MUSCL (Monotonic Upstream Schemes for Conservation Laws), а вязких потоков - центрированная схема 2-го порядка точности. В расчетах используется неравномерная сетка, в которой сгущение ячеек сетки производится около стенок трубы, где градиент температуры нефти является существенным. Чтобы контролировать сходимость итерационного процесса, проверяется уровень расхождения искомых физических величин и соответствие уравнению баланса массы. Исследование чувствительности сетки состоит из запуска одного и того же моделирования с использованием сеток с разным разрешением и анализируется, насколько сильно сходящееся решение меняется с каждой сеткой. Разрешение сетки около стены фиксировано на уровне y+<1, а количество ячеек сетки в оставшейся части расчетной области (часть области, находящейся вне инфляционного слоя) варьируется. Чувствительность сетки на результат оценивается по распределению температуры в выходном участке трубы. Расчеты завершаются, когда уровень расхождения всех физических величин уменьшается на три порядка, а рассогласование массовых расходов на входной и выходной границах расчетной области становится менее $10^{-3}$ кг/c.