横掠圆管的二维流场有限差分分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第23卷第3期电力科学与工程V01．23．No．32007年7月ElectricPowerScienceandEngineeringJu1．，2007横掠圆管的二维流场有限差分分析袁野，倪景峰，刘丽华(1．广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州516082：2．华北电力大学，北京102206)摘要：在合理划分二维流场离散网格的M-J：，采用了有限差分方法求解流动微分方程，借助计算机编程获取目标流场中各结点的最终离散值，并生成流场的流动速度矢量示意图。针对横掠圆管流场

2、的有限差分分析，对换热器的性能改进以及现场优化运行有一定的参考价值。同时，这种利用计算机进行数值离散求解流场的手段，相比搭建实验台进行实验模拟流场而言，具有经济性好、模拟速度快等优点。关键词：二维流场；换热器；流函数；有限差分中图分类号：TM714文献标识码：A数问题的近似数值解法。0引言流体力学的基础知识规定，定常流动，是指流场中空间点上的运动参数在不同时间内都有确定的电站设备的换热装置，如高压加热器、低压加值，即它们只随空间点改变，而不随时间t变化；不热器、冷凝器等，有不同形态的流场。其中，最为可压缩流体，

3、是指在压力作用下不改变其体积的流典型的是流体横掠圆管的流动。换热器外壳为长体p】。由于换热器中冷却水的压力较低，且流场分方体结构，冷却水自左向右流动；换热器内铜管为布不受时间影响，因此，可将冷却水的流动视作定中空圆管，交错布置形成管束，管束的轴线与水流常不可压缩平面势流。冷却水流动的控制方程为方向垂直，蒸汽自前向后流动。工程中实际流场均为三维流场，但由于三维流甏+V=0场的复杂性，同时考虑到换热器均匀性及对称性，可对于上述的二维流场进行分析，必须给出定解以将三维流场转化为二维流场。本文采用有限差分条件。定解条件

4、含初始条件、边界条件，它们是求的方法求解流体横掠圆管的平面流场(即二维流场)解微分方程不可或缺的条件】。例如，非定常问问题。当离散结果贴近实际时，就可以将有限差分题必须给出初始条件，而对于空间求解域，由于用的方法再进一步推广到三维流体，求解整个换热器有限差分求解流场时总是取有限空间，所以必须给中的流场效果。出边界条件。给出的定解条件合适与否直接影响到求解微分方程的效果。定解条件的个数以及给出初1有限差分方法应用于二维流场始条件和边界条件的位置往往需要结合流场的具体实际来确定。有限差分方法是数值解法中较为常用的方

5、法。它是将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点2离散求解二维流场代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分2．1目标流场区域及网格划分方程组】。求差分方程的解，就是微分方程定解问显然，交错排列的管束也具有对称性，进一步题的数值近似解，这是一种直接将微分问题变为代简化，使平面流流经管束的问题简化成平面流流经收稿日期：2007-04-07．作者简介：袁野(1975一)，男，广东惠州天然气发电有限公司助理工程师维普资讯http://www.cqvip.com第3期袁野，

6、等横掠圆管的二维流场有限差分分析49单个圆面的情况。该流场即所要分析的横掠圆管的b二维流场，进行网格划分的流场示意图如图1所示。J『／，／G，／／／，，／r／，／：一F，／，／／，／／P(i，)IlIllIJlIlll7llIllllllIIlrlllllllII『lII、七u=l5lfflIIl『lIllElIllIllIIIlf3IIJIIJIII／rllJ、＼产llIIlIllb，+卜卜一，0卢：l357911315／QP＼I／一==T一一J—1f一1)h15-i)h，／／／，／J，，，／，／

7、，厂，／，

8、，／，，l／，，厂，r／，，／／、(b)(c)图1横掠圆管的二维流场的网格划分示意图图2边界结点、内结点、毗邻边界结点的示意图点，如图2(a)所示；如果P结点上下左右相邻的考虑到平面流场横掠圆面，所有空间尺寸以图4个结点结点、结点、Q结点、结点均落在面半径为单位，即r=I。有限差分方法适合于有限CDEFGC区域内(包括边界)，称P结点为内结的流体区域，设在离圆面中心3．5r的左边区域流点，如图2(b)所示；如果P结点上下左右相邻动受圆面的扰动影响可以忽略不计，流速均匀分的4个结点中有任意一个落在CDEFGC区域

9、外，布，该处速度沿轴正方向，=I。如．I所示，则称P结点为毗邻边界结点，如图2(c)所示。鉴于流动上下对称、左右对称，取图中网格区域2．3采用的有限差分方程CDEFGC流场进行计算，然后根据对称性将计算本文分析的是定常流动，运动参数的变化与时结果应用于整个流场。间f无关，求解微分方程只需给出边界条件即可。对二维流场的离散可采用离散网格的方法，离对上述3种类型的结点采用不同的离散方法，因