船用螺旋管換熱器熱工及水動力特性數值研究

楊元龍，王興剛

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

流致振動誘發的螺旋管破損現象已成為影響船用螺旋管換熱器安全性和可靠性的主要因素之一。在船舶動力裝置傳統設計中，采用支撐板固定螺旋管，防止流體誘導傳熱管振動［1］。但螺旋管換熱器運行過程中，換熱器內部常伴有流固耦合傳熱、水位波動、雜質濃縮、管束微振磨損等現象產生，極大影響了螺旋管換熱器的安全運行。因此，研究船用螺旋管換熱器的熱工水力及流致振動特性對船舶蒸汽動力系統的安全運行具有重要的意義。

目前，國內外學者針對熱交換器熱工水力及動力方面做了大量研究［2－6］。薄涵亮［4］利用縮比例螺旋管束試驗臺，分析及預測螺旋管流致振動規律;Chen［6］基于試驗研究了螺旋管換熱器流動結構及流致振動特性。但在公開文獻中采用流固耦合方法船用換熱器流動與傳熱特性少有研究。鑒于此，本文以實際典型船用螺旋管換熱器為原型，采用流固耦合計算方法對船用換熱器流動結構進行模擬，捕捉壓力、溫度、流速等關鍵參數的分布規律，借助水力結構和力學參數變化規律，揭示船用換熱器的“薄弱”部位，為船用換熱器結構設計和性能分析提供理論基礎。

1 物理網格模型

螺旋管換熱器的結構及網格模型如圖1 和圖2所示。換熱器采用四面體非結構化網格方式進行網格劃分，殼體采用O 網格方法增加邊界層網格，近壁網格無量綱尺寸y + 為26 ～37，網格正交率、傾斜率滿足計算要求。

圖1 螺旋管換熱器結構Fig.1 Structure of helical heat exchanger

圖2 網格模型Fig.2 Grid model

2 數學控制方程

2.1 流動控制方程

使用k －ε 模型計算換熱器湍流脈動特性。湍流計算求解方程具體形式參見文獻［7］。

2.2 傳熱管導熱方程

在數值仿真中，忽略傳熱管的移動及應力的作用因子，故螺旋管在放熱過程中應滿足導熱方程［1］。

3 換熱器流動與傳熱分析

3.1 熱工特性

圖3 給出了螺旋管換熱器壓力變化曲線。由圖可知，沿著換熱器水工質的流動方向，介質壓力不斷下降，主要是由于沿著介質流動方向，螺旋管導致介質產生摩擦壓降和局部壓降，最終導致換熱器內部壓力逐漸降低。

圖4 給出了螺旋管換熱器局部壓力場分布規律。從圖中可發現，沿著流體流動方向，在螺旋管的沿程局部阻力和流體自身重力的聯合作用下，使得流體壓力快速降低，進、出口的壓降達到190 Pa。

圖5 給出了換熱器流速分布曲線。換熱器殼側水工質進口流速為0.4 m/s，從流速分布曲線可知，沿著水工質流動方向，流速先緩慢升高再快速上升，最高流速達到0.48 m/s。主要是由于換熱器進口區域流體密度大，上升速度較慢;在掠過螺旋管區域時，傳熱管放出大量熱量，水溫度升高，密度降低，導致流速快速升高。

流速分布規律如圖6 所示，在螺旋管擾流的作用下，導致螺旋管兩側流速高于螺旋管管間區域的流速，但截面平均流速不斷上升。

流速分布矢量圖如圖7 所示。從圖中可發現，螺旋管上、下游管間出現回流現象，導致換熱器內部雜質易在本區域產生沉積，減小傳熱管的換熱效率，降低換熱器運行性能。

螺旋管換熱器壁面剪切應力變化規律如圖8 所示。在流體沖擊作用下，傳熱管壁面剪切應力較大，且沿著流體流動方向，介質流速升高，剪切應力數值也不斷增加，換熱管局部剪切應力變化率約達到15 s－1。因此，換熱器螺旋管下表面成為易破損的薄弱區域，在結構設計時管壁應增加設計強度。

圖3 壓力變化曲線Fig.3 Pressure curves

圖4 壓力變化云圖Fig.4 Pressure contours

圖5 流速變化曲線Fig.5 Velocity curves

圖6 流速分布規律Fig.6 Velocity distributions

圖7 流速矢量圖Fig.7 Velocity vectors

圖8 剪切力變化規律Fig.8 Wall shear distributions

3.2 傳熱特性分析

為清晰揭示換熱器內流體溫度變化特性，圖9給出了換熱器流體溫度分布曲線。水進口溫度為300 K，螺旋電加熱管的電導率為6 ×107s/m，在螺旋管的加熱作用下，流體溫度不斷升高，最終流體出口溫度達到380 K。

螺旋管與介質存在強制對流換熱，平均對流換熱系數分布規律在圖10 中體現。由圖可知，由于螺旋管側壁區域流體流速更高，對流傳熱強度大，導致螺旋管側壁平均對流傳熱系數遠大于上、下管壁的傳熱系數。

為了表征換熱器內部溫度場局部規律，本文給出了換熱器螺旋管及縱截面的溫度分布云圖，如圖11 所示。從圖中可發現，螺旋管上、下部位溫度明顯高于管側壁溫度。主要原因是螺旋管側壁流速較高，沖刷管壁速度快，對流傳熱系數大(約達到2 600 W/m2. K)，壁面流體傳熱熱阻較小，促使管側壁的溫度更接近流體的溫度，同理，螺旋管上、下區域對流傳熱強度低，平均傳熱系數小，傳熱熱阻較大，導致管壁溫度遠高于流體溫度，因此螺旋管上、下管壁部位溫度明顯高于管側壁溫度。基于上述熱工特性分析可知，螺旋管上、下管壁區域溫度高，更容易產生爆管現象。

圖9 溫度變化曲線Fig.9 Temperature curves

圖10 傳熱系數變化曲線Fig.10 Heat transfer coefficient curves

圖11 溫度分布規律Fig.11 Temperature distributions

3.3 動力特性預測分析

在高速流體沖擊作用下，極容易誘發傳熱管高頻率振動，而流致振動的誘發機理主要包括湍流激振、流體彈性不穩定、漩渦脫落和聲共振。基于作者以前的研究結果［3］可知，換熱器傳熱管流致振動的作用力與流體沖擊能量成正比關系，其中流體能量等于流體平均密度乘以流速的平方值［8－9］，即ρU2。

圖12 給出了換熱器流體能量的分布曲線。由圖可知，沿著流體流動的方向，流體沖擊能量逐漸增大，在螺旋管區域流體能量達到峰值，在出口區域不斷減小，主要是由于在螺旋管區域附近的流體流速較高，在加熱過程中流體密度變化小，導致流體能量高。但在螺旋管上、下游之間的流域，由于湍流脈動形式的改變，誘發流體能量略有降低。因此，基于流體沖擊能量分布規律可知，螺旋管承受流致振動破損更加嚴重。在文獻［4］中，采用加速度傳感器測量內側螺旋管最大振動加速度平方根在1/g～2/g 之間，說明螺旋管內側部位易與支撐板碰撞而磨損，該試驗結果與本文基于流體沖擊能量預測的螺旋管破損部位大致吻合。

圖13 示出了螺旋管局部流體能量分布云圖。由于螺旋管側壁區域的流體沖刷流速較高，在流動密度變化范圍較小條件下，螺旋管側壁區域承受流致振動破損更加嚴重。

圖12 流體能量變化曲線Fig.12 Fluid energy curves

圖13 流體能量分布規律Fig.13 Fluid energy distributions

4 結 語

搭建船用螺旋管換熱器三維模型，采用流固耦合方法開展了換熱器流動與傳熱特性的數值模擬，揭示壓力、流速、溫度等熱工水力參數分布規律，借助流致振動預測方法得到與流致振動密切相關的流體沖擊能量變化特性。主要結論如下所示:

1)沿著流動方向，流體壓力快速降低，流速逐漸升高，螺旋管上、下游管間出現回流現象，極易導致雜質沉積;

2)螺旋管上、下管壁對流傳熱系數小，管壁溫度高，容易誘發爆管現象;

基于流體沖擊能量變化特性，流體能量在螺旋管區域呈波峰值，且螺旋管側管壁沖擊能量高于上、下管壁，可以預測螺旋管側管壁承受流致振動破壞較嚴重，同時試驗數據驗證了本文數值預測結果。

［1］楊元龍．支撐板對蒸汽發生器流動與傳熱特性影響［J］．上海交通大學學報，2014，48(2):79 －85．YANG Yuan-long．Impacts of tube support plate on flow and heat transfer characteristic for steam generator［J］．Journal of Shanghai Jiaotong University，2014，48(2):79－85．

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