管壳式换热器数值模拟的并行计算技术研究

管壳式换热器数值模拟的并行计算技术研究

郭崇志 肖乐

(华南理工大学机械与汽车工程学院)

摘要：利用并行计算原理，在FLUENT软件中对GAMBIT建模的管壳式换热器进行了数值模拟。通过对3种组合计算平台所消耗的机时进行比较，得到并行加速比和并行效率的规律，为复杂的管壳式换热器壳程设计的工程仿真和优化提供了一种新的处理方法。
    关键词：换热器；数值模拟；并行计算
    中图分类号：TQ051.5文献标识码：A文章编号：0254-6094(2011)05-0604-03
    由于换热器的结构多样和流道复杂，实验分析结果经常因与实际存在一定偏差而难于在实际使用中得到应有的应用，得出的经验公式的使用范围大大受到限制，并且换热器内部的流动传热又难以得出准确的分析结果，因而现在对于这类工艺分析大多采用计算流体动力学CFD方式进行工艺分析［1］。CFD计算适用性强，不受实验模型的限制，效率较高，并能给出各种模型在各种工况下的完整资料，因此得到广泛的应用［2］。
    随着计算要求的提高，计算问题日趋复杂化，通常需要使用昂贵的大型计算机或高配置的服务器才能解决问题。随着计算机网络技术的发展，为利用基于网络的并行计算系统解决复杂计算问题开辟了途径。FLUENT并行计算技术通过计算机网络将多台计算机连成一个逻辑上的虚拟并行计算机系统，由微机网络集群系统组合成的CFD计算平台使许多复杂的计算流体力学问题实现准确的模拟成为可能［3］。因此，研究基于网络并行计算的CFD技术有重要的实际意义。
    1·换热器流体模型的建立
    笔者研究的对象为某实验用折流杆管壳式换热器，主要结构参数如下:
    筒体尺寸  Φ115mm×6．5mm×1 476mm
    管板厚度  12mm
    折流杆直径  3．2mm
    换热管?Φ12mm×3mm(管心距19mm，采用正三角形布管)
    管程流体  水蒸气
    壳程流体  自来水(流速为0．5m/s)
    换热器在纵向上具有对称性，故可建立换热器1/2模型，在对称面上Boundary Types定义为SYMMETRY，这样能将模型网格减半，节省了很大的计算资源。
    2·并行计算平台的建立
    并行计算就是将网格划分成多个子域，将每个子域对应到不同的计算节点(处理器)上，再利用多个计算节点同时进行计算。本次并行计算采用节点并行来构建并行平台，在基于RSHD传输的网络连接所构建的WINDOWS工作平台上运行的。并行平台使用了4台普通的WINDOWS-32机，该机主要配置如下:
    处理器AMD Athlon(tm)64 x2 Dual Coreprocessor 5200+2．70GH
    芯片组Advanced Micro Devices(AMD)RS780
    内存2GB
    计算时采用FLUENT软件内部的自动分割网格技术，自动保证各节点负荷平衡。
    3·壳程流动的数值模拟
    笔者利用分段模拟技术［4］，先选取入口段进行数值模拟。在CFD软件FLUENT计算后可以得到换热器壳程整体的流动情况(图1、2)。

            
    从图1和图2可看出，换热器入口段存在较大的温差，将产生很大的温差应力，这与传统的实验及理论分析吻合［5］。本数值模拟得出的详细结果能为换热器结构和尺寸的优化提供良好的方法。
    4·并行计算的加速比和效率的研究
    各个并行计算平台经过相近的迭代步数，获得最后结果列于表1。从出口温度、传热膜系数和压降3个方面可以看出，采用并行计算并不会影响计算结果的准确性，所产生的误差可以视为是由FLUENT软件残差所引起的，这也是数值模拟迭代误差所允许的。

           
    并行加速比N用来衡量并行系统或程序并行化的性能和效果，加速比N定义为相同任务量的情况下(通常采用运行同一个任务来实现相同的任务量)，并行处理器系统中求解消耗的时间Tn(n为并行机子数目)和单机运行所需的机时T1之比，并行效率E定义为加速比N与并行系统中机子数目n之比，它用来衡量并行计算平台的计算能力发挥的程度，而并行计算所节省的时间t，可以衡量出并行计算所实现的最终效果，具体表达式为:

    
    在理想并行系统下，加速比能达到N=n，并行效率E=1，但实际运用中，受到主节点与支节点间通信能力，还有主节点只分配一定的计算能力来处理节点间数据的交换所限制，理想并行系统是实现不了的。而节点数增加的时候，每节点所承担的计算量将出现一定的下降，并行效率随之下降。
    本换热器算例在各个并行计算平台所消耗的时间、相应的加速比和并行效率见表2。

            
    由表2可知，采用两节点、三节点并行计算时分别只需原来的52．730%、37．878%的时间就可以完成相同的计算任务，因此采用并行计算所节约的时间是相当可观的。
    通过并行加速比和效率可知，随着计算节点的增加，并行计算的时间和单机计算相比大大缩短，基本能够达到预期的目标。
    5·结论
    5．1普通配置的常用PC机可成功构建性价比较高的FLUENT并行计算平台，充分发挥FLU-ENT软件的数值模拟的能力，缩小了相同计算量下所消耗的机时。FLUENT的并行计算功能在产品创新设计、方案设计和性能分析等方面大有可为，为CFD数值模拟的深入应用提供了广阔前景。
    5．2所搭建的并行计算平台随着并行计算的计算机数量增加而增加，但是随之数据交换量也会增加，计算机之间的通信能力等因素将制约加速比的增加速度，从而使并行效率降低。
参考文献
［1］吴金星，王定标，魏新利．管壳式换热器壳程流动和传热数值模拟研究进展［J］．流体机械，2005，33(3):297～302．
［2］王福军．计算流体动力学分析－CFD软件原理与应用［M］．北京:清华大学出版社，2004:2～4．
［3］朱国林，徐庆新．计算流体动力学并行计算技术研究综述［J］．空气动力学学报，2002，20(3):1～6．
［4］郭崇志，梁泉水．折流杆换热器数值模拟新方法［J］．化工进展，2007，26(8):1198～1200，1206．
［5］郭崇志，林长青．固定管板式换热器的温度场数值分析［J］．化工机械，2008，35(6):338～344．