FLUENT烟气余热回收装置流动传热的研究(5)
求解器的核心是数值求解方案，常用的数值求解方案包括有限差分、有限元、谱方法和有限体积法等，其原理主要是借助简单函数来近似待求的流动变量，将连续型的控制方程变成离散方程组，进而求得解的形式。各种数值求解方案的主要区别在于流动变量被近似的方式及相应的离散化过程。
后处理器的目的是有效地观察和分析流动计算结果，借助后处理功能还可以动态模拟流动效果，直观地了解CFD的计算结果。
1．4 主要工作
烟气的分布与流动对装置换热起着重要作用，为使从天然气动力设备排出的烟气能够在装置中分布均匀、充分换热，需要对余热回收装置的结构进行合理的布置。本文的主要工作如下：
1) 以单相流体的对流换热为基础，利用Fluent软件对换热器进行数值模拟。运用Gambit软件构建简单的换热器模型，并进行网格划分，同时确定边界条件，选择相应的计算模型。
2) 模拟得到换热器装置中烟气的速度场、温度场分布，分析烟气在换热器中的流动和传热特性，为烟气热能回收装置系统的合理设计提供了理论依据。
3) 针对装置中存在的不足，对烟气余热回收装置的结构进行优化。
2 烟气余热回收装置数值模拟的理论基础
2．1 烟气流动的控制方程
流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，这三大定律对流体运动的数学描写就是流体动力学基本方程组。本文以烟气余热回收装置为基础，建立简单的换热器物理模型，为便于方程的求解做出如下假设：
1) 烟气在换热器流动过程中没有发生凝结换热，始终为单相流体；
2) 工作介质烟气为不可压缩的牛顿流体，烟气物性参数为常数；
3) 烟气在换热器中流动为三文充分发展的湍流；
4) 由于换热器内流体流速较低，忽略流体流动时的粘性耗散所产生的热效应。
烟气由入口进入换热器，在换热器内部与换热管进行热交换，再由出口流出，在整个过程中单位时间内流入换热器的烟气质量与出口流出的烟气质量相等，可以得到质量守恒方程：
（2.1）
式（2.1）中：u，v，w分别为x，y，z方向的速度(m/s)。
动量守恒定律是任何流动系统必须满足的基本定律，该定律实际上是牛顿第二定律，表示微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和，可以得到动量守恒方程：
式（2.2）中： p为压力(Pa)，ρ为烟气密度(kg/m3)，μ为运动粘性系数(kg/(m•s))。
能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律，实际上是热力学第一定律，表示微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功，可以得到能量方程：
（2.3）
式（2.3）中： T为温度( K)，a为热扩散率(m2/s)。
2.1.1 湍流的控制方程
湍流流动是自然界常见的现象，在多数工程问题中流体的流动往往处于湍流状态。湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有不断地互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。
式 (2.2)为三文N-S方程，对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三文N-S方程的全模拟，这时不需要引入任何模型，然而以目前计算机容量及速度还不能做到。工程上常用的是湍流模型，将湍流特征量的运输方程中高阶的未知关联项用低阶关联项或时均量来表达。CFD常用的湍流模型有零方程模型、一方程模型、标准k-ε模型、RNG k-ε模型和Realizable k-ε模型。目前使用最广泛的湍流模型是标准k-ε模型，因此，本文在进行数值模拟时，选取标准的k-ε湍流模型，此模型的双方程如下：
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