管殼式換熱器數值模擬的并行計算技術研究

郭崇志 肖樂

(華南理工大學機械與汽車工程學院)

摘要：利用并行計算原理，在FLUENT軟件中對GAMBIT建模的管殼式換熱器進行了數值模擬。通過對3種組合計算平臺所消耗的機時進行比較，得到并行加速比和并行效率的規律，為復雜的管殼式換熱器殼程設計的工程仿真和優化提供了一種新的處理方法。
    關鍵詞：換熱器；數值模擬；并行計算
    中圖分類號：TQ051.5文獻標識碼：A文章編號：0254-6094(2011)05-0604-03
    由于換熱器的結構多樣和流道復雜，實驗分析結果經常因與實際存在一定偏差而難于在實際使用中得到應有的應用，得出的經驗公式的使用范圍大大受到限制，并且換熱器內部的流動傳熱又難以得出準確的分析結果，因而現在對于這類工藝分析大多采用計算流體動力學CFD方式進行工藝分析［1］。CFD計算適用性強，不受實驗模型的限制，效率較高，并能給出各種模型在各種工況下的完整資料，因此得到廣泛的應用［2］。
    隨著計算要求的提高，計算問題日趨復雜化，通常需要使用昂貴的大型計算機或高配置的服務器才能解決問題。隨著計算機網絡技術的發展，為利用基于網絡的并行計算系統解決復雜計算問題開辟了途徑。FLUENT并行計算技術通過計算機網絡將多臺計算機連成一個邏輯上的虛擬并行計算機系統，由微機網絡集群系統組合成的CFD計算平臺使許多復雜的計算流體力學問題實現準確的模擬成為可能［3］。因此，研究基于網絡并行計算的CFD技術有重要的實際意義。
    1·換熱器流體模型的建立
    筆者研究的對象為某實驗用折流桿管殼式換熱器，主要結構參數如下:
    筒體尺寸  Φ115mm×6．5mm×1 476mm
    管板厚度  12mm
    折流桿直徑  3．2mm
    換熱管?Φ12mm×3mm(管心距19mm，采用正三角形布管)
    管程流體  水蒸氣
    殼程流體  自來水(流速為0．5m/s)
    換熱器在縱向上具有對稱性，故可建立換熱器1/2模型，在對稱面上Boundary Types定義為SYMMETRY，這樣能將模型網格減半，節省了很大的計算資源。
    2·并行計算平臺的建立
    并行計算就是將網格劃分成多個子域，將每個子域對應到不同的計算節點(處理器)上，再利用多個計算節點同時進行計算。本次并行計算采用節點并行來構建并行平臺，在基于RSHD傳輸的網絡連接所構建的WINDOWS工作平臺上運行的。并行平臺使用了4臺普通的WINDOWS-32機，該機主要配置如下:
    處理器AMD Athlon(tm)64 x2 Dual Coreprocessor 5200+2．70GH
    芯片組Advanced Micro Devices(AMD)RS780
    內存2GB
    計算時采用FLUENT軟件內部的自動分割網格技術，自動保證各節點負荷平衡。
    3·殼程流動的數值模擬
    筆者利用分段模擬技術［4］，先選取入口段進行數值模擬。在CFD軟件FLUENT計算后可以得到換熱器殼程整體的流動情況(圖1、2)。

            
    從圖1和圖2可看出，換熱器入口段存在較大的溫差，將產生很大的溫差應力，這與傳統的實驗及理論分析吻合［5］。本數值模擬得出的詳細結果能為換熱器結構和尺寸的優化提供良好的方法。
    4·并行計算的加速比和效率的研究
    各個并行計算平臺經過相近的迭代步數，獲得最后結果列于表1。從出口溫度、傳熱膜系數和壓降3個方面可以看出，采用并行計算并不會影響計算結果的準確性，所產生的誤差可以視為是由FLUENT軟件殘差所引起的，這也是數值模擬迭代誤差所允許的。

           
    并行加速比N用來衡量并行系統或程序并行化的性能和效果，加速比N定義為相同任務量的情況下(通常采用運行同一個任務來實現相同的任務量)，并行處理器系統中求解消耗的時間Tn(n為并行機子數目)和單機運行所需的機時T1之比，并行效率E定義為加速比N與并行系統中機子數目n之比，它用來衡量并行計算平臺的計算能力發揮的程度，而并行計算所節省的時間t，可以衡量出并行計算所實現的最終效果，具體表達式為:

    
    在理想并行系統下，加速比能達到N=n，并行效率E=1，但實際運用中，受到主節點與支節點間通信能力，還有主節點只分配一定的計算能力來處理節點間數據的交換所限制，理想并行系統是實現不了的。而節點數增加的時候，每節點所承擔的計算量將出現一定的下降，并行效率隨之下降。
    本換熱器算例在各個并行計算平臺所消耗的時間、相應的加速比和并行效率見表2。

            
    由表2可知，采用兩節點、三節點并行計算時分別只需原來的52．730%、37．878%的時間就可以完成相同的計算任務，因此采用并行計算所節約的時間是相當可觀的。
    通過并行加速比和效率可知，隨著計算節點的增加，并行計算的時間和單機計算相比大大縮短，基本能夠達到預期的目標。
    5·結論
    5．1普通配置的常用PC機可成功構建性價比較高的FLUENT并行計算平臺，充分發揮FLU-ENT軟件的數值模擬的能力，縮小了相同計算量下所消耗的機時。FLUENT的并行計算功能在產品創新設計、方案設計和性能分析等方面大有可為，為CFD數值模擬的深入應用提供了廣闊前景。
    5．2所搭建的并行計算平臺隨著并行計算的計算機數量增加而增加，但是隨之數據交換量也會增加，計算機之間的通信能力等因素將制約加速比的增加速度，從而使并行效率降低。
參考文獻
［1］吳金星，王定標，魏新利．管殼式換熱器殼程流動和傳熱數值模擬研究進展［J］．流體機械，2005，33(3):297～302．
［2］王福軍．計算流體動力學分析－CFD軟件原理與應用［M］．北京:清華大學出版社，2004:2～4．
［3］朱國林，徐慶新．計算流體動力學并行計算技術研究綜述［J］．空氣動力學學報，2002，20(3):1～6．
［4］郭崇志，梁泉水．折流桿換熱器數值模擬新方法［J］．化工進展，2007，26(8):1198～1200，1206．
［5］郭崇志，林長青．固定管板式換熱器的溫度場數值分析［J］．化工機械，2008，35(6):338～344．