用ANSYS预测内置液轮机的换热管内流动场

　　前言

　　换热管内液轮机实现了换热设备在线、连续、自动防垢除垢及强化传热,是一项实用新技术[1]。该技术不需外加动力,各液轮机相互独立,没有复杂的传动装置。其结构如图1所示,主要由中心轮毂及缠绕于轮毂之上的叶片组成。液轮机在管内流体作用下自行产生旋转运动,并伴有随机径向摆动及少量轴向运动,从而不断擦刮、刷洗管壁,使换热管内很难结垢,即使原有积垢,也可进行除垢,而且滞流边界层受到不断的扰动,强化了传热。换热设备始终在无垢、少垢、热阻小的优良状态下运行,提高传热系数,并利用原来未能利用的低温热源,大量节省能源,对节能意义重大。为了提高液轮机的转动性能并进行优化设计,研究内置液轮机的换热管内湍流场的流动特性则具有重要的意义。随着当今计算流体力学(CFD)的迅速发展,使复杂的流场分析得以实现,从而能够预测换热管内湍流场。

　　在各种应用软件中,大型有限元分析程序AN-SYS中的FLOTRAN CFD分析模块是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进工具,以其特有的高精度和高运算速度,得到了广泛应用。

　　1　ANSYS/FLOTRAN简介^[2,3]

　　大型通用有限元分析软件ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。其融结构、流体、电场、磁场、声场和耦合场分析于一体,能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等。

　　该程序主要包括三个部分:前处理模块(PREP7),分析求解模块(SOLUTION)和后处理模块(POST1和POST26)。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,可以方便地构造有限元模型;分析求解模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

　　ANSYS的用户界面如图2所示。从开始平台(Utility Menu)可以进入各处理模块:PREP7(通用前处理模块),SOLUTION(求解模块),POST1(通用后处理模块),POST26(时间历程后处理模块)。

　　FLOTRAN是由Compuflo Inc.公司发展,目前属于Swanson Analysis Systems Inc.公司的一套基于通用有限元算法的软件,其单元库包含二维的三角形和四边形单元(FLUID141)以及三维的四面体和六面体单元(FLUID142),可用于层流或湍流分析、热分析、可压缩或不可压缩流分析、牛顿流或非牛顿流分析及多组分传输分析。运用ANSYS/FLOTRAN CFD进行流体分析见以下实例。