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杆支撑换热器壳程的单元流道模型及流场分布点击：1751 日期：[ 2014-04-26 22:31:55 ] |
| 杆支撑换热器壳程的单元流道模型及流场分布 吴金星，魏新利，董其伍，刘敏珊 (郑州大学化学工程学院，河南 郑州 450002) 摘 要：提出了一种杆支撑换热器壳程的代表性“单元流道”模型，使结构复杂的管壳式换热器数值模拟更加简便而高效，数值分析得到了杆支撑换热器壳程中心区域的单元流道流场、压力场和温度场分布细节信息，为杆支撑换热器的结构完善和研究强化传热机理奠定了理论基础。 关键词：杆支撑换热器；单元流道；数值模拟；流场分布 中图分类号：TQ 051.5 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2007）01–0069–05 传统的弓型折流板管壳式换热器结构简单、适应压力范围广、选材方便、制造成本低，因而在化工、石油、轻工和能源动力工程中得到广泛应用。但当壳程流体雷诺数较大时，除了壳程压降显著升高以外，还常引起管束发生流体诱导振动，甚至造成换热器破坏，因而其主要适用于中低雷诺数的工况。为了防止管束发生流体诱导振动，美国菲利浦公司[1]首先用折流杆代替折流板来支撑管束，开发出杆支撑换热器。该换热器制造和安装方便，重量和造价更低，壳程流体由横向流变为纵向流，不但有效地控制了换热管束振动，而且大大减小了壳程阻力，提高了传热效率[2]。杆支撑换热器实验和应用表明[2－3]，只有在较大雷诺数时其综合性能才优于折流板换热器。由于杆支撑换热器结构本身及流体运动方程的复杂性，传统的理论分析方法难以搞清杆支撑换热器的壳程流体流动和换热特性，因而其理论研究很不完善，壳程流体流动的细节信息也难以看到，这直接影响了杆支撑换热器的结构完善和性能提高。 随着计算流体动力学（CFD）的发展，数值模拟技术为研究换热器性能提供了一种新手段。目前模拟换热器内流体流动和传热主要有两种方法。一种叫做分布阻力法[4]，即假设换热器壳程充满多孔介质，多孔介质对流体产生分布阻力。分布阻力法允许采用粗糙网格，一个单元网格里可能包括多个管子。该法过 于简化了换热器的物理模型，模拟结果并不能准确反映出换热管间局部细节信息。第二种方法是基于工程实际结构和尺寸的模拟方法，但该方法需要很强的计 算机硬件技术支持和花费大量时间，如一个 500 根管、10 块折流板的换热器就至少需要 1500 万计算单元进行求解[4]，因而目前的计算机难以完成。本文作者基于换热器的工程实际结构和尺寸，针对杆支撑换热器壳程结构具有对称性和周期性的特点，对壳程结构和流体湍流流动状况进行合理简化，提出了换热器壳程的代表性“单元流道”模型，使计算模型大大减小，计算时间大大缩短，并可得到换热器壳程内流场分布的实际细节信息。 |
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