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折流杆换热器壳程湍流和传热的数值模拟

    折流杆换热器壳程结构复杂,用理论方法难以获得壳程流体流动和强化传热机理。为了分析折流杆在换热器壳程中作用,采用数值方法研究了壳程流体的流动和换热状况。首先对壳程结构进行适当简化,提出了换热器壳程的“单元流道”模型用于研究纵流式换热器壳程流场和温度场的实际细观信息。针对三维几何模型和数学模型,数值模拟采用标准 k-ε两方程湍流模型,用SIMPLE 算法求解速度和压力的耦合关系,流道的固体边界采用壁面函数法,在

    不同进口流量下对单元流道进行模拟。结果表明,纵横交错布置的折流杆在单元流道中不断分割和剪切流道内流体,其扰流作用促进了流体湍流,减薄了液体边界层,减小了对流换热热阻,因而有效地提高了流体的对流换热强度。数值分析结果可为折流杆换热器的结构优化和性能提高提供理论依据。


    折流杆换热器用折流杆代替传统的折流板支撑管束[1],这使制造和安装更加方便,重量和成本更低,并且壳程流体由折流板支撑时的横向冲刷管束变为纵向冲刷管束,有效控制了雷诺数较大时换热管束流体诱导振动,减小了壳程阻力,提高了传热效率。国内外学者主要通过实验方法对折流杆换热器进行性

    能研究,并已成功地应用于工业装置中[2]。由于折流杆换热器壳程结构及流体运动方式的复杂性,理论研究还很不完善,壳程流体流动的细节信息和折流杆的强化传热机理都不十分清楚。随着计算流体动力学的发展,数值模拟方法为研究换热器性能提供了一种新手段。数值方法研发周期短、费用低、重复性好,能直观地得到换热器内速度和温度分布,便于分析换热器性能和优化设计。目前对换热器的数值模拟主要针对折流板支撑的壳程流体横向流动[3],采用多孔介质模型研究壳程的流场、温度场和压降特性。多孔介质模型可减少计算网格数,便于模拟换热器壳程流场和温度场的全貌,但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器内局部细节信息。本文根据折流杆支撑换热器的结构特点,在分析异形流道内流体流动状况的基础上[4],提出了壳程的单元流道模型,通过模拟得到换热器壳程单元流道内湍流流动的速度场和温度场,为理论分析提供依据。


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