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吳德勝、薛明德，固定管板式換熱器管板溫度場(chǎng)的分析方法[J]，核動(dòng)力工程，1998(10):402407外文資料中文譯文計(jì)算流體力學(xué)在降低沖刷腐蝕中的應(yīng)用摘要應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)探索鋁精煉廠的換熱器封頭觀測(cè)到的破壞形式與封頭內(nèi)流體流動(dòng)狀況的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室里5：1縮小的前端管箱得到的流體數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算流體力學(xué)的分析。計(jì)算流體力學(xué)模擬用來(lái)分析前端管箱與其5：1縮小模型間的流體相似性。我們發(fā)現(xiàn)前端管箱封頭管板的沖刷腐蝕是管板上的流體湍流程度增加的結(jié)果，而此處的湍流是由于快速的流道轉(zhuǎn)彎引起的。以前曾嘗試過(guò)用一個(gè)菱形的流道改變?cè)O(shè)備來(lái)改變流道，但是卻增加了前端管箱的殼體的沖刷腐蝕。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的模擬，我們嘗試了各種不同的流道改變?cè)O(shè)備。一個(gè)在前端管箱中的軸向的翅片結(jié)構(gòu)和一個(gè)裝在入口的流體擴(kuò)散器表現(xiàn)很好而被推薦使用。計(jì)算流體力學(xué)模擬分析顯示在第二，第三，第四和出口管箱，由于流體流動(dòng)平滑，低湍動(dòng)，沒(méi)有發(fā)生沖刷腐蝕的情況，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中得到印證。本研究表明可被計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算的壁面湍流程度是具有復(fù)雜幾何形狀的設(shè)備發(fā)生沖刷腐蝕破壞的前兆。1 導(dǎo)言鋁精煉廠經(jīng)常利用“拜爾法”從鋁土礦生產(chǎn)鋁的氧化物（氧化鋁）（king，1987年）。通常鋁土礦可以在地表發(fā)現(xiàn)，礦層由一到十米的微紅色沙礫組成。氧化鋁（Al2O3）是一種白色的顆粒材料，進(jìn)一步處理可以獲得鋁。拜耳進(jìn)程由奧地利化學(xué)家Karl Josef Bayer發(fā)現(xiàn)于1887年，其包含三個(gè)步驟：（a）在氫氧化鈉溶液（燒堿）中溶解鋁礦石中的鋁成分；（b）去除溶液中雜質(zhì)；（c）沉淀三水合氧化鋁；（d）對(duì)氧化鋁焙燒。通過(guò)精煉大量燒堿溶液被回收到鋁精煉廠而鋁土礦被加熱到高溫下，雜質(zhì)在中間溫度被去除，氧化鋁在周期中的低溫點(diǎn)沉淀。作為拜耳進(jìn)程的一部分，苛性堿溶液通過(guò)殼管式換熱器（HEX），以再生熱。定期清洗管殼式換熱器并通過(guò)使用無(wú)機(jī)酸消除污垢。這些管殼式換熱器的封頭是由低碳鋼制作，所以要定期檢查其沖刷腐蝕損傷。這種在線監(jiān)測(cè)方式通常是通過(guò)使用超聲波設(shè)備測(cè)量殼厚度。如果需要修理，偶爾會(huì)讓監(jiān)測(cè)離線，打開(kāi)設(shè)備去修復(fù)那些能看得見(jiàn)的損傷。大量數(shù)據(jù)顯示易受損部件是換熱器的管板和封頭殼壁?；谶@種損害的模式，我們懷疑這種損害可能與封頭內(nèi)的流場(chǎng)有關(guān)。沖刷腐蝕的被定義為由于腐蝕性液體對(duì)金屬表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的加速喪失金屬表面的一個(gè)過(guò)程（Fontana, 1986）。在大多數(shù)案例中，在金屬表面的保護(hù)層要么是缺刻狀的要么是流體流動(dòng)影響改變的結(jié)果。在管殼式換熱器的情況下，據(jù)推測(cè)，低碳鋼形成的保護(hù)層表面在腐蝕條件下，由于流體流動(dòng)，被流體帶走了一些或者沒(méi)有正常地形成表面，而這會(huì)促進(jìn)基礎(chǔ)金屬腐蝕損失加劇。由于目前沒(méi)有在流體中找到固體顆粒，流體對(duì)腐蝕的影響只能發(fā)生在單相流中。為了證實(shí)這個(gè)假設(shè)，決定使用計(jì)算流體力學(xué)方法（CFD）找到實(shí)際發(fā)生的腐蝕破壞情況與換熱器封頭內(nèi)流體流動(dòng)情況的聯(lián)系?，F(xiàn)在CFD提供了一種新的途徑研究流體流動(dòng)，這往往比試驗(yàn)的方法更便宜，可以提供詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，是適合幾乎任何復(fù)雜的幾何形狀的。然而，計(jì)算解決方案是基于數(shù)學(xué)模型的近似。因此，只要有可能和且愿意解釋清楚，通過(guò)計(jì)算得到的結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。事實(shí)上，商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件包能夠通過(guò)快速得到的大量的似乎可信的流場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出模擬的色彩成果演示和漂亮的圖像。但這個(gè)沒(méi)有影響計(jì)算流體力學(xué)在幫助工程師應(yīng)付復(fù)雜的流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)的巨大潛力，它只是表明了有時(shí)候CFD技術(shù)的濫用。為了獲得CFD分析結(jié)果的自信，一開(kāi)始一個(gè)五分之一縮小的管殼式換熱器就在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行。這個(gè)模型的圖參見(jiàn)圖1。一旦CFD分析結(jié)果的正確性由1:5比例的模型流確定，那么整個(gè)1：1的模型就可以用相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的CFD分析，如果不可以用CFD分析，這時(shí)候?qū)嶒?yàn)的費(fèi)用會(huì)很昂貴。用CFD的好處還有在流場(chǎng)分析后，對(duì)于流型改變器的選擇可做優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1　　實(shí)驗(yàn)室中五分之一縮小模型的管殼式換熱器2 實(shí)驗(yàn)背景Lai (1977), Bremhorst and Lai (1979), Lai and Bremhorst(1979), Bremhorst and Flint (1991),經(jīng)驗(yàn)性的考察了如圖1所示的五分之一模型內(nèi)的流體流動(dòng)情況。當(dāng)時(shí)主要關(guān)注的是管入口（管板）發(fā)生的沖刷腐蝕損壞。因此，獲得的主要的流體參數(shù)是接近管口的分布。 Bremhorst和同事確定，橫流模式（平行于管板）是管板腐蝕主要原因。他們的實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了各種流型改變?cè)O(shè)備來(lái)改變流動(dòng)模式，使大部分的流量接近管口軸向。正是從這時(shí)棱柱形整流裝置被推薦，被在工廠中安裝使用推廣。長(zhǎng)期的使用證明這是有益的，管板的損壞更少被看到。然而，有人懷疑流動(dòng)模式的改變可能導(dǎo)致了封頭外殼的損壞率增加。沖刷腐蝕究竟是由于保護(hù)層被沖走還是氧化層被抑制形成，確切的沖刷腐蝕的機(jī)理現(xiàn)在還不清楚。最近幾年進(jìn)行的研究提出了一些可能的機(jī)理。Elvery（1995年）和Elvery和Bremhorst（1997年）出版了關(guān)于管板腐蝕損害的有關(guān)研究。為了改變?nèi)肟谛绷鳁l件，主要關(guān)注的流體參數(shù)是壁面壓力和壁面剪應(yīng)力。用所得結(jié)果與實(shí)際管內(nèi)觀察到的損害比較，指出了由斜流形成的回流的附著點(diǎn)附近的區(qū)域的重要性。平均壁面切應(yīng)力被認(rèn)為是太小而不能機(jī)械地移除金屬的保護(hù)層。這使他們相信，單一作用的壁剪應(yīng)力不是移開(kāi)金屬氧化保護(hù)層的原因，并建議另有其他的機(jī)理作用。Ne?i39。c和Postlethwaite (1990)建議，近壁湍流動(dòng)能是除去金屬保護(hù)膜的原因，而且其增加了金屬腐蝕進(jìn)程的物質(zhì)交換速率。這項(xiàng)單相流動(dòng)研究顯示，近壁湍流動(dòng)能提高了腐蝕的傳質(zhì)速率。Ne?i39。c和Postlethwaite (1990)相信密集的近壁湍流動(dòng)蕩擾亂了金屬保護(hù)氧化層，也擾亂了傳質(zhì)邊界層。這導(dǎo)致腐蝕和加強(qiáng)了隨后的金屬失效。因此，在本項(xiàng)目的研究重點(diǎn)是近壁湍流動(dòng)能，因?yàn)檎J(rèn)為它是最可能的造成沖刷腐蝕損害因素之一。最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究是由Coles操作（2000），作為本項(xiàng)目的一部分。這樣做的目的是確認(rèn)了CFD分析結(jié)果對(duì)五分之一比例的模型有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了很合適的數(shù)值模型，除某些情況中熱絲探針振動(dòng)在速度測(cè)量的情況下干擾。3 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究CFD是數(shù)學(xué)技術(shù)，它依賴于解基本流體運(yùn)動(dòng)方程得到流場(chǎng)。常見(jiàn)的方程是描述牛頓流體流動(dòng)的著名的Navier Stokes方程。由于其復(fù)雜性（他們是三維，瞬態(tài)，非線性偏微分方程），到現(xiàn)在Navier Stokes方程還沒(méi)有解析解。另一方面，數(shù)控程序已經(jīng)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，近似解的Navier Stokes方程用于廣泛的流場(chǎng)問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，現(xiàn)在工程師可以解決更多復(fù)雜的流動(dòng)問(wèn)題。商業(yè)軟件使這項(xiàng)工作變得如此簡(jiǎn)單。Navier Stokes方程描述層流和紊流同樣出色，但是，由于涉及大量的數(shù)據(jù)和很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，獲取充分的湍流問(wèn)題流場(chǎng)分布仍然是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)求解的技術(shù)被稱為對(duì)Navier Stokes方程的直接數(shù)值模擬（DNS），然而幾乎只對(duì)通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何形狀（例如平滑的渠道，直管，沒(méi)有或有很小的障礙物）的低雷諾數(shù)流動(dòng)實(shí)際可行。即使是一些最大的超級(jí)計(jì)算機(jī)被用來(lái)求解也需要設(shè)定一個(gè)合理的計(jì)算時(shí)間規(guī)劃。盡管實(shí)際常見(jiàn)的流動(dòng)大都是湍流，但是已開(kāi)發(fā)出大量的模擬高度湍流的近似技術(shù)。他們大多的核心思想是簡(jiǎn)化Navier Stokes方程，求解主要的有意義的流體數(shù)據(jù)以滿足實(shí)際運(yùn)用的需求，而湍流的細(xì)節(jié)流場(chǎng)參數(shù)可以很好地從近似的相關(guān)性和簡(jiǎn)單的輔助方程中得到。最流行的方法是在的Navier Stokes方程中按時(shí)間平均獲取穩(wěn)態(tài)雷諾平均N S（雷諾平均）方程，這種方法在太空中獲得了平均的流場(chǎng)分布。在這一近似思想指導(dǎo)下，已獲得了多種近似的方式和方法，其中有名的是過(guò)去幾十年非常流行的所謂的k 模型結(jié)合壁面函數(shù)方法。欲了解更多的讀者，可參看計(jì)算流體力學(xué)和湍流模型有關(guān)的教科書(shū)，例如Patankar (1980) or Versteeg and Malalasekera (1995)對(duì)此有一個(gè)基本的介紹或Ferziger and Peri′c (1996)有一些更深入的講解。在這個(gè)項(xiàng)目中的CFD模擬使用一個(gè)廣泛使用的商用計(jì)算流體力學(xué)軟件包（）。這項(xiàng)工作是作為澳洲昆士蘭大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)生最后一年畢業(yè)論文的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完成的。在最初的研究中，Huber (1999)使用CFD研究了管殼式換熱器前端管箱封頭內(nèi)的流場(chǎng)分布。他指出計(jì)算的近壁的湍流動(dòng)能和觀察到的沖刷腐蝕損傷有某種關(guān)聯(lián)性。這項(xiàng)工作隨后由RodeBramanis (2000)繼續(xù)，他使用相同的軟件包模擬這個(gè)五分之一縮小的前端管箱封頭模型，比較了安裝和不安裝菱形整流裝置的流場(chǎng)。他的發(fā)現(xiàn)很好的印證了之前提到的Coles (2000)的測(cè)量結(jié)果。同年，Purchase (2000)進(jìn)行了全比例模型的模擬分析（包括有和沒(méi)有棱鏡）并且發(fā)現(xiàn)了和五分之一縮小模型相同的流場(chǎng)分布。繼他之后，Varela (2000), Salameh (2001) and Scott (2001)為了降