Кожухотрубчатого теплообменника типа

«труба в трубе»

Цель работы: смоделировать работу прямоточного воздушно-водяного кожухотрубчатого теплообменника типа «труба в трубе», если известно, что температура холодного (внутреннего) теплоносителя (вода) составляет 333 К, горячего (внешнего) теплоносителя (воздух) – 550 К; расходы воды и воздуха составляют по 0,7 кг/с; материал стенок – алюминий. Также необходимо оптимизировать работу теплообменника по величине получаемого теплового потока и среднемассовой температуре воды на выходе из теплообменника.

СОЗДАНИЕ ГЕОМЕТРИИ

Открвыем ANSYS 14.5 > Workbench. Выбираем в окне компонентов (рис. 5.1 слева) Fluid Flow (FLUENT) и методом перетаскивания перемещаем в левую часть окна. Заходим в Geometry как показано на рис. 5.1 и выбираем удобную систему единиц измерения (например, метры) и нажимаем Ok.

Рис. 5.1. Окно создания новой геометрии

Для создания цилиндрического тела выбираем Create > Primitives > Cilinder. В окне Detail View задаем радиус цилиндра 0,3 м, являющегося внешним кожухом теплообменника (рис. 5.2).

В строке As Thin/surface ставим Yes для того чтобы создать полую поверхность и задаем внутренний диаметр 0,15 м, являющийся внутренней стенкой, разделяющей два теплоносителя.

В строке Operation выбираем Add Frozen для создания не цельнотелого объекта и нажимаем кнопку Generate.

Рис. 5.2. Создание поверхности трубы для течения воздуха

Аналогично создаем внутреннюю поверхность теплообменника, где будет течь нагреваемая вода. Для этого задаем внешний радиус 0,15 м. В строке As Thin/surface ставим No. В строке Operation выбираем Add Frozen для создания не цельнотелого объекта и нажимаем Generate (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Создание поверхности трубы для течения воды

Далее задаем входы и выходы для воздуха и воды. На панели инструментов выбираем фильтр Selection Filter: Faces (изображение куба с выделенной одной стороной). Выбираем нужную поверхность, затем нажимаем правой кнопкой мыши по ней, и в открывшимся меню выбираем named selection (рис. 5.4). Задаем имя поверхности Details View (например, air_in) нажимаем Generate.

Рис. 5.4. Переименование поверхностей

Аналогично задаем остальные поверхности входа и выхода для воды и воздуха (air_out, water_in, water_out).

В окне Tree Outline, раскрываем последнюю вкладку, которая показывает количество областей (тел). Называем области: 1-я область – air, 2-я область – water (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Переименование областей двух тел

Задание геометрии закончено, закрываем DesignModeler и сохраняем проект через File > Save as…

СОЗДАНИЕ РАСЧЕТНОЙ СЕТКИ

Открываем компонент создания сетки Mesh, два раза нажав на него левой кнопкой мыши. В окне Outline выбираем закладку Mesh. В окне Details of Mesh в раскрывающемся списке Assembly Meshing в строке Method выбираем метод разбиения Tetrahedrons и нажимаем на кнопку Generate Mesh и затем Update (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Построение расчетной сетки

Задание расчетной сетки закончено, закрываем Meshing и сохраняем проект через File > Save.

ЗАДАНИЕ УСЛОВИЙ РАСЧЕТА

Запускаем следующий модуль Setup. Во вкладке General (рис. 5.7) нажимаем кнопку Check, если проверка прошла успешно, продолжаем расчет. В окне Solver в поле Time ставит маркер напротив строки Steady.

Во вкладке Models (рис. 5.8) выбираем типы уравнений, используемых в расчетной модели, нажимая на них двойным щелчком левой кнопкой мыши: Energy – On, Viscous – standart k-e, standart wall function.

Рис. 5.7. Вкладка General

Рис. 5.8. Вкладка Models

Во вкладке Materials задаем материалы, используемые в модели. Материал – воздух (air) уже присутствует, необходимо добавить материал – воду. Для этого нажимаем Create/Edit. В списке Material Type выбираем тип материала fluid (жидкость) и нажимаем кнопку FLUENT Database. В списке выбираем необходимый материал water-liquid (текучая жидкость) и нажимаем кнопку Copy > Close > Close (рис. 5.9, 5.10).

5.9. Окно создания и редактирования материалов

5.10. Выбор необходимого материала (жидкости)

Во вкладке Cell Zone Conditions задаем внутренние условия объекта, то есть то, что находится внутри поверхности тела. В окне Zone выбираем первое тело (air) и в поле Type задаем тип материала – fluid, нажимаем кнопку Edit и в поле Material Name выбираем соответствующий телу тип жидкости – air. Так как воздух является телом, которое нагревает воду в теплообменнике, то ставим галочку около Source Terms)рис. 5.11). Нажимаем OK.

Рис. 5.11. Окно настройки внутренних условий объекта (air)

Аналогичную процедуру проделываем и для второго тела – water. Галочку около Source Terms не ставим. Нажимаем OK.

Рис. 5.12. Окно настройки внутренних условий объекта (water)

Во вкладке boundary condition задаем граничные условия объекта:

· Для входа воздуха (air_in) выбираем в поле Type > mass- flow-inlet > Yes. Во вкладке Momentum в поле Mass Flow Rate задаем значение массового расхода 0,7 кг/с. В полях X(Y-, Z-)-Component of Flow Direction задаем направление течения жидкости в декартовых координатах в соответствии с построенной моделью (X=0, Y=0, Z=-1). Во вкладке Thermal задаем температуру воздуха на входе в теплообменник 550 К.

Рис. 5.13. Задание граничных условий для воздуха на входе в теплообменник

· На выхода воздуха (air_out) задаем тип границы Type > outflow (свободный выход) > Yes > OK.

Рис. 5.14. Задание граничных условий для воздуха на выходе из теплообменника

· Аналогично задаем параметры теплообмена и движения для воды (water_in, water_out). Температура воды на входе в теплообменник 333 К.

· Для стенки wall-air задаем тип границы Type > wall. Нажимаем на edit. Во вкладке Momentum задаем неподвижную стационарную стенку Stationary Wall. Во вкладке Thermal задаем граничное условие 2 рода Heat Flux (тепловой поток) значение которого равно 0 Вт/м², толщину стенки Wall Thickness (0 м), материал стенки Material Name – aluminum.

Рис. 5.15. Задание граничных условий на внешней

поверхности теплообменника

· Для стенки interior-air-water, разделяющей воздух и воду, задаем условие смешанного теплообмена Type > wall > Yes > Thermal > Coupled. Задаем значения Heat Generation Rate 1 Вт/м³ и толщину стенки Wall Thickness 0,005 м.

Рис. 5.16. Задание граничного условия смешанного теплообмена для стенки, разделяющей теплоносители

Во вкладке Solution Initialization нажимаем кнопку Initialize и при успешной инициализации проекта переходим во вкладку Run Calculation (запуск расчета). Во вкладке задаем количество итераций расчета Number of Iterations – 100, интервал вывода результатов Reporting Interval – 1 и нажимаем кнопку Сalculate для начала расчетов.

Рис. 5.17. Окно настройки вкладки Run Calculation

После остановки расчета переходим ко вкладке быстрого доступа Graphics and Animations (графика и анимация), где в окне Graphics (графика) выбираем параметр Contours (контуры) и нажимаем кнопку (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Окно настройки вкладки Graphics and Animations

В новом окне (рис. 5.19) в списке Options (настройки) ставим галочки напротив пунктов: Filled (заполнение), Node Values (значения узла), Global Range (глобальное масштабирование), Auto Range (автоматическое масштабирование). В списках Contours of (контуры чего-либо) выбираем из списков: Temperature и Static Temperature (статическая температура), а в списке Surfaces (поверхности) отмечаем всё. Нажимаем кнопку .

Рис. 5.19. Окно отображения контуров

В окне Contours отобразится минимальная (min) и максимальная (max) температуры.

В графическом окне отобразится рис. 5.20, который показывает распределение температуры по длине теплообменника визуально, при помощи цветной легенды.

Рис. 4.47. Общий вид постпроцессора CFD-Post

Рис. 5.20. Графическое окно, показывающее распределение температуры по длине теплообменника

НАСТРОЙКА ВЫВОДИМЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ

После успешного окончания расчета, чтобы построить оптимизационные параметры необходимо зайти во вкладку Reports. Для задания величины получаемого теплового потока в поле Reports выбираем Fluxes и нажимаем Set Up.

В поле Options выбираем Total Heat Transfer Rate, а в поле Boundaries необходимую поверхность water_out (выход нагреваемой воды из теплообменника), нажимаем Compute (рис. 5.21), чтобы просчитать текущее значение данного параметра, и нажимаем кнопку Save Output Parameter > OK > Close.

Рис. 5.21. Задание свойств оптимизации для теплового потока

Далее в поле Reports выбираем Volume Integrals и нажимаем кнопку Set Up. В поле Report Type выбираем Mass Integral. В списке Field Variable выбираем Temperature. В поле Cell Zones выбираем необходимое тело water. Нажимаем Save Output Parameter > OK > Close (рис. 5.22). Возвращаемся в окно Workbench.

Рис. 5.22. Задание свойств оптимизации для среднемассовой температуры воды на выходе из теплообменника

НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ ОПТИМИЗАЦИИ

Перетаскиваем тип расчета из раскрывающегося списка поля Toolbox > Design Exploration > Goal Driven Optimization под Parameter Set (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Добавление Direct Optimization в блок-схему

Открываем Design of Experiments для построения матрицы планирования. В окне Outline of Schematic B2: Design of Experiments выбираем изменяемый параметр Р1. В окне Properties of outline P1 задаем диапазон изменения параметра Р1. Для этого в поле lower bound задаем нижний уровень значений, а в поле upper bound – верхний уровень значений. Аналогично для другого параметра P2. И нажимаем кнопку Update для построения матрицы эксперимента. После построения матрицы эксперимента нажимаем кнопку Return to Project для возвращения к проекту. Для расчета и выбора оптимальных параметров открываем Optimization. В поле Table of schematic В4: Optimization, в поле Optimization objectives в столбцах выводимых параметров в строке Objective выбираем уровень оптимум параметров (максиму, минимум и др.), в строке Importance выбираем уровень очередности и важности оптимума. Нажимаем Update для получения выборки оптимумов.