古新，張前欣，王超鵬，方運(yùn)閣，李寧，王永慶

（1 鄭州大學(xué)河南省過程傳熱與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002；2 河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院平頂山分院，河南 平頂山 467000）

換熱器作為工業(yè)過程中一種基本的換熱設(shè)備，應(yīng)用于航空、化工、電力等部門。管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。其中傳統(tǒng)弓形折流板應(yīng)用最為廣泛，但是在殼程區(qū)域壓降較大及存在流動(dòng)傳熱死區(qū)，因此新結(jié)構(gòu)開發(fā)優(yōu)化對(duì)工程實(shí)踐有重大意義。

對(duì)管殼式換熱器殼程支撐結(jié)構(gòu)的開發(fā)、優(yōu)化及性能分析進(jìn)行了大量的研究工作，例如采用曲面弓形板、三葉孔板、折流桿、螺旋扁管、簾式折流片等。王斯民等對(duì)螺旋折流板換熱器進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，其結(jié)果表明：壓降與傳熱系數(shù)隨螺旋角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且受螺旋角的影響較大。對(duì)連續(xù)型螺旋折流板進(jìn)行改進(jìn)出現(xiàn)三分、四分、六分等非連續(xù)型折流板。Wang 等對(duì)交錯(cuò)式折流板換熱器進(jìn)行研究，其綜合性能優(yōu)于螺旋折流板換熱器和弓形折流板換熱器，且折流板切割率對(duì)壓降和換熱系數(shù)的影響大于交錯(cuò)角度。El Maakoul 等分析不同導(dǎo)流板對(duì)換熱器殼程性能的影響，結(jié)果表明，與弓形折流板換熱器相比，螺旋折流板和三葉孔折流板換熱器均具有較好的換熱性能，但是三葉孔折流板換熱器同時(shí)具有較大壓降。Mohammadi等研究多孔折流板對(duì)換熱器傳熱速率與壓降的影響，結(jié)果表明：當(dāng)孔隙度為0.2 時(shí)傳熱性能最優(yōu)。馬璐等研究不同類型簾式折流片對(duì)換熱器殼程壓降與傳熱性能的影響。Wen等對(duì)螺旋折流板進(jìn)行改進(jìn)提出梯形折疊式折流板，殼程流體近似螺旋流動(dòng)，當(dāng)折疊比為0.3、折疊角為37°時(shí)性能達(dá)到最優(yōu)，較連續(xù)型螺旋折流板傳熱系數(shù)提高82.8%～86.1%，綜合性能提高28.4%～30.7%。Yang等對(duì)單側(cè)梯形螺旋折流板進(jìn)行研究，折流板節(jié)距是影響殼程性能的主要因素，與弓形折流板換熱器相比較，溫度分布更加均勻。張軒愷等對(duì)梅花孔板進(jìn)行改進(jìn)提出螺旋型梅花孔板，螺旋型梅花孔板換熱器流場(chǎng)分布更加均勻，流動(dòng)死區(qū)較小，且可以產(chǎn)生更高的射流速度，有效增強(qiáng)流體對(duì)換熱管束的沖刷作用。Gu等對(duì)扭轉(zhuǎn)流換熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，結(jié)果表明：導(dǎo)流板傾角和導(dǎo)流板間距對(duì)扭轉(zhuǎn)流換熱器傳熱性能的影響顯著，在相同質(zhì)量流量下壓降較簾式折流片換熱器降低18.5%～21%，傳熱系數(shù)提高7.3%～10.2%。

綜上所述，不同的管束支撐結(jié)構(gòu)對(duì)管殼式換熱器殼程性能存在較大影響。依殼程流場(chǎng)螺旋流動(dòng)狀態(tài)及類梯形導(dǎo)流板安裝制造工藝，研究人員提出了一種新型殼程支撐結(jié)構(gòu)。新型殼程支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流板由類梯形導(dǎo)流板切去一定比例后制成，在外形上呈U形，因此將其命名為U形導(dǎo)流板。多塊U形導(dǎo)流板周向布置為一組，沿軸向等間距排布于殼程；流體在殼程流動(dòng)，經(jīng)導(dǎo)流板被分割為多股斜向流體，整體呈螺旋流動(dòng)均勻沖刷換熱管束，以此來實(shí)現(xiàn)流動(dòng)減阻與傳熱強(qiáng)化。本文利用數(shù)值模擬、理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合方法，分析U形導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)及布置方式變化對(duì)殼程流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響；在相同質(zhì)量流量下與扭轉(zhuǎn)流換熱器殼程性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 U形導(dǎo)流板換熱器數(shù)值模型

1.1 物理模型

在換熱器殼程區(qū)域，充分發(fā)展段的周期截面流動(dòng)和傳熱性能基本可以反映殼程整體性能，所以采用全截面周期模型分析導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)殼程性能的影響。對(duì)全截面周期模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，僅保留換熱管壁、導(dǎo)流板、筒體外壁等關(guān)鍵部位。為評(píng)估U形導(dǎo)流板換熱器殼程性能，選擇扭轉(zhuǎn)流換熱器作為比較對(duì)象。兩換熱器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 U形導(dǎo)流板與扭轉(zhuǎn)流換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)模型

1.2 控制方程

流體流動(dòng)與傳熱遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等基本規(guī)律，在數(shù)值計(jì)算過程中主要用質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，這三種方程是求解流體流動(dòng)與傳熱的基本理論。

連續(xù)性方程[式(1)]

動(dòng)量方程[式(2)]

能量方程[式(3)]

湍動(dòng)能方程[式(4)]

湍流耗散率方程[式(5)]

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)置

由于換熱器殼程區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用正四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在相同質(zhì)量流量下，對(duì)四種不同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，殼程傳熱系數(shù)與壓降計(jì)算結(jié)果如表2 所示。經(jīng)誤差分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為3mm 時(shí)，性能參數(shù)變化趨于穩(wěn)定，因此選取網(wǎng)格尺寸為3mm 的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬分析，網(wǎng)格劃分示意圖如圖2所示。

表2 不同網(wǎng)格尺寸下壓降與傳熱系數(shù)

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

利用ANSYS Fluent 軟件對(duì)建立的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，在計(jì)算過程中壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，動(dòng)量、能量等均采用二階迎風(fēng)格式；綜合考慮換熱器管束支撐結(jié)構(gòu)的變化，采用Realizable-湍流模型。進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量進(jìn)口，一個(gè)周期的出口為下一個(gè)周期的進(jìn)口，出口被覆蓋；進(jìn)口水溫設(shè)置為293.15K；換熱管束壁面設(shè)置為393.15K恒溫；采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，導(dǎo)流板和筒壁設(shè)置無相對(duì)滑移絕熱邊界條件。

2 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，利用LDV 技術(shù)對(duì)殼程流場(chǎng)關(guān)鍵位置的速度進(jìn)行測(cè)量。依LDV測(cè)速技術(shù)特點(diǎn)，建立有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ颓也捎谜叫尾脊芊绞?，如圖3 所示，測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：LDV 系統(tǒng)、水箱、增壓泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、示蹤粒子。實(shí)驗(yàn)開始前，將示蹤粒子加入循環(huán)水箱中，并保持循環(huán)通水5min，目的是排出管道和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械臍馀?，同時(shí)使示蹤粒子均勻地分布在水中。隨后通過調(diào)節(jié)閥門來控制實(shí)驗(yàn)過程的循環(huán)水流量，直到轉(zhuǎn)子流量計(jì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的流量。實(shí)驗(yàn)開始后，攜帶示蹤粒子的水在增壓泵的作用下依次經(jīng)過水箱、閥門、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、有機(jī)玻璃實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。使用LDV 采集示蹤粒子的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)Flow Sizer 軟件處理后得到測(cè)量點(diǎn)的速度值。實(shí)驗(yàn)過程中采用控制精度為2.0 的LBZ-50 型轉(zhuǎn)子流量計(jì)，量程0.6～6m/h，測(cè)量介質(zhì)為水；示蹤粒子為直徑8～12μm、密度1.05～1.15g/mL 的中空玻璃球體。

圖3 U形導(dǎo)流板換熱器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃m）

圖4 實(shí)驗(yàn)過程示意圖

2.1 儀器指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

LDV系統(tǒng)的主要參數(shù)如表3所示。

表3 LDV性能指標(biāo)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，設(shè)備自身精度和測(cè)量誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在不確定度，不確定度的表達(dá)式為式(6)。

式中，W是總的不確定度；是期望變量；是的自變量；W是自變量的誤差。在LDV測(cè)速實(shí)驗(yàn)中，LDV 系統(tǒng)自身的測(cè)量誤差不超過0.2%，LDV 系統(tǒng)安裝和校準(zhǔn)帶來的誤差不超過0.8%，轉(zhuǎn)子流量計(jì)的誤差不超過2.5%。經(jīng)過計(jì)算可知，LDV測(cè)速實(shí)驗(yàn)所得到的速度值的不確定度在2.63%以內(nèi)。

導(dǎo)流板區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，入口段與出口段流體流動(dòng)變化較大，所以測(cè)量位置分布在導(dǎo)流板中間區(qū)域部分，如圖3中紅線所示。

本文建立了與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缫恢碌娜S模型并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算的邊界條件與實(shí)驗(yàn)條件保持一致。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖5所示，在殼程區(qū)域不同位置處速度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法和結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。造成誤差的原因可能有以下幾個(gè)方面：實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模型之間的尺寸差異，流體流量、激光強(qiáng)度和示蹤粒子濃度均存在細(xì)微變化等。

圖5 測(cè)量位置1處模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3 不同換熱器殼程性能對(duì)比分析

在相同泵工況條件下，對(duì)不同流態(tài)的兩種管殼式換熱器進(jìn)行殼程區(qū)域流體流動(dòng)模擬與性能對(duì)比分析。

3.1 殼程流場(chǎng)流動(dòng)分析

殼程流體流動(dòng)均勻性是管殼式換熱器考核性能指標(biāo)之一。流體均勻流動(dòng)，可以更好地沖刷換熱管束，使得受力分布均勻，降低管束振動(dòng)破壞的影響。均勻性的量化研究有多種指標(biāo)，如標(biāo)準(zhǔn)差或平均方差、面積加權(quán)平均速度、質(zhì)量加權(quán)平均速度。本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差來表征流體流動(dòng)的均勻性，其表達(dá)式為式(7)。

式中，v是網(wǎng)格單元的速度；ˉ是殼程計(jì)算域的平均速度；是計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量。編寫Fluent 用戶自定義函數(shù)（UDF）提取殼程計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格單元的速度并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差。

殼程流體流動(dòng)均勻性隨質(zhì)量流量變化如圖6所示，速度矢量如圖7所示。

圖6 流動(dòng)均勻性指標(biāo)分布圖

由圖7可以看出，在相同質(zhì)量流量下，U 形導(dǎo)流板換熱器均勻性指標(biāo)低于扭轉(zhuǎn)流換熱器；隨質(zhì)量流量的增加，流體快速經(jīng)過殼程區(qū)域，導(dǎo)致流體在部分區(qū)域無法充分流動(dòng)，因此換熱器流動(dòng)均勻性都在逐漸變差；流體在殼程區(qū)域被U形導(dǎo)流板均等分割導(dǎo)流，整體呈螺旋流動(dòng)可以均勻沖刷換熱管束，所以均勻性指標(biāo)小于扭轉(zhuǎn)流換熱器。

圖7 殼程流體速度矢量圖

3.2 流動(dòng)傳熱與流阻抑制機(jī)理分析

管殼式換熱器殼程傳熱系數(shù)的表達(dá)式為式(8)、式(9)。

式中，為換熱管壁面熱通量；Δ為殼程流體的對(duì)數(shù)平均溫差。

殼程努塞特?cái)?shù)和阻力因子的表達(dá)式如式(10)、式(11)所示。

式中，Δ為殼程壓降；為殼程當(dāng)量直徑；為殼程平均流速；為換熱管長(zhǎng)度。在ANSYS的后處理軟件CFD-post 中提取式(8)～式(11)所需要的參數(shù)并對(duì)上述公式進(jìn)行編碼計(jì)算。

使用/來評(píng)價(jià)管殼式換熱器殼程綜合性能變化，在不同質(zhì)量流量下對(duì)U 形導(dǎo)流板換熱器和扭轉(zhuǎn)流換熱器的殼程壓降、傳熱系數(shù)和綜合性能進(jìn)行對(duì)比分析。其計(jì)算結(jié)果如表4和圖8所示。

由圖8(a)、(b)可以得出，兩種換熱器殼程壓降與傳熱系數(shù)存在相同的變化趨勢(shì)；在相同的質(zhì)量流量下，U形導(dǎo)流板換熱器殼程壓降和傳熱系數(shù)均小于扭轉(zhuǎn)流換熱器。由表4可知，相較于扭轉(zhuǎn)流換熱器殼程壓降降低45.3%～47.5%，傳熱系數(shù)降低9.9%～13.5%。在U 形導(dǎo)流板換熱器殼程區(qū)域，由于流通截面較扭轉(zhuǎn)流換熱器增大，因此流體受到較小的流動(dòng)阻力，產(chǎn)生較小壓降；由于流體的螺旋流動(dòng)，在相鄰兩組導(dǎo)流板之間較扭轉(zhuǎn)流動(dòng)行為對(duì)流體的擾流作用減小，降低中心區(qū)域流體之間的摻混，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低。

圖8 U形導(dǎo)流板換熱器與扭轉(zhuǎn)流換熱器性能分析

表4 U形導(dǎo)流板和扭轉(zhuǎn)流換熱器不同流量下性能變化

由圖8(c)可以得出，在相同的進(jìn)口質(zhì)量流量下，U 形導(dǎo)流板換熱器綜合性能高于扭轉(zhuǎn)流換熱器。由表4可知，U形導(dǎo)流板換熱器殼程綜合性能較扭轉(zhuǎn)流換熱器提高4.0%～14.6%。

3.3 場(chǎng)協(xié)同分析

場(chǎng)協(xié)同理論認(rèn)為流體速度場(chǎng)與溫度梯度間的協(xié)同性是影響傳熱性能的重要因素，而流體速度與壓力梯度間的協(xié)同性則會(huì)影響壓力梯度的做功能力。協(xié)同角是反應(yīng)物理場(chǎng)協(xié)同度的指標(biāo)，定義流體速度與溫度梯度間的協(xié)同角為，流體速度與壓力梯度間的協(xié)同角為，表達(dá)式見式(12)、式(13)。

編寫Fluent 用戶自定義函數(shù)（UDF）提取兩種換熱器殼程流體的協(xié)同角數(shù)據(jù)。圖9是U形導(dǎo)流板換熱器和扭轉(zhuǎn)流換熱器殼程協(xié)同角和隨質(zhì)量流量的變化趨勢(shì)。在相同的質(zhì)量流量下，U形導(dǎo)流板換熱器殼程協(xié)同角和均大于扭轉(zhuǎn)流換熱器，即U形導(dǎo)流板換熱器殼程流體速度與壓力梯度的協(xié)同性優(yōu)于扭轉(zhuǎn)流換熱器，而流體速度與溫度梯度的協(xié)同性比扭轉(zhuǎn)流換熱器差。表明U形導(dǎo)流板換熱器殼程流體的整體螺旋流動(dòng)能有效減小流動(dòng)阻力，但對(duì)管束橫向沖刷作用不足，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)低于扭轉(zhuǎn)流換熱器。

圖9 殼程流體協(xié)同角隨質(zhì)量流量變化

4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)殼程性能影響

4.1 布置角度對(duì)殼程性能影響

導(dǎo)流板與豎直平面間的夾角設(shè)置為30°、45°和60°，在導(dǎo)流板不同布置角度下，殼程流體流動(dòng)模擬結(jié)果如圖10 所示。殼程壓降與傳熱系數(shù)存在相同的變化趨勢(shì)，隨質(zhì)量流量的增加和安裝角度的減小，殼程壓降與傳熱系數(shù)均在不斷增加；導(dǎo)流板安裝角度越小，對(duì)流體產(chǎn)生的阻擋作用越大，因此會(huì)產(chǎn)生較大的流動(dòng)阻力且在導(dǎo)流板附近會(huì)產(chǎn)生回流；但是當(dāng)導(dǎo)流板安裝角度減小時(shí)，流體流通截面會(huì)隨之減小，更有利于流體橫向沖刷換熱管束，破壞邊界層，帶動(dòng)湍流核心區(qū)域流體與邊界層流體的相互摻混，從而傳熱系數(shù)也較高。

圖10 不同安裝角度殼程性能參數(shù)變化

4.2 導(dǎo)流板間距對(duì)殼程性能影響

相鄰兩組導(dǎo)流板之間布置間距設(shè)置為80mm、100mm 和120mm，殼程性能參數(shù)隨導(dǎo)流板布置間距及質(zhì)量流量變化如圖11 所示。在一定的布置間距條件下，隨質(zhì)量流量的增加，殼程壓降和傳熱系數(shù)在不斷增加；在相同的質(zhì)量流量下，隨導(dǎo)流板布置間距的增加殼程壓降和傳熱系數(shù)在逐漸降低；經(jīng)導(dǎo)流板分流作用后，流體在相鄰導(dǎo)流板之間區(qū)域混合，流體得以緩沖從而降低壓降，所以隨導(dǎo)流板布置間距的增大，流體得到的緩沖作用更加明顯，與此同時(shí)降低了流體對(duì)換熱管束的沖刷作用、殼程區(qū)域各部分流體之間的摻混作用以及對(duì)邊界層的破壞能力，從而傳熱系數(shù)減小。

圖11 不同布置間距殼程性能參數(shù)變化

4.3 導(dǎo)流板寬度對(duì)殼程性能影響

導(dǎo)流板寬度設(shè)置為50mm、70mm 和90mm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖12 所示。在不同的導(dǎo)流板寬度結(jié)構(gòu)下，殼程壓降和傳熱系數(shù)隨質(zhì)量流量的增加而增加，在相同質(zhì)量流量下，導(dǎo)流板寬度對(duì)殼程壓降和傳熱系數(shù)的影響較小。隨導(dǎo)流板寬度的增加，使得相鄰兩組導(dǎo)流板間距減小，增加流體擾動(dòng)程度，使得傳熱系數(shù)增加，但同時(shí)造成流阻增加。

圖12 導(dǎo)流板不同寬度殼程性能參數(shù)變化

4.4 布置方式對(duì)殼程性能影響

導(dǎo)流板不同布置方式模擬結(jié)果如圖13 所示。導(dǎo)流板對(duì)稱布置時(shí)的殼程壓降和傳熱系數(shù)都明顯高于平行布置與旋轉(zhuǎn)布置；當(dāng)導(dǎo)流板對(duì)稱布置時(shí)，流體需翻越導(dǎo)流板在殼程流動(dòng)，因此會(huì)增大殼程壓降，提高不同區(qū)域流體的擾動(dòng)程度，提高傳熱系數(shù)；當(dāng)導(dǎo)流板旋轉(zhuǎn)布置時(shí)，流體在殼程流動(dòng)，在不同角度都可以受到導(dǎo)流板的分流與導(dǎo)流作用，因此產(chǎn)生較小的壓降，但是對(duì)換熱管束的沖刷作用降低。

圖13 不同布置方式殼程性能參數(shù)變化

4.5 極差分析

極差可以反應(yīng)各因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響程度，差值越大的因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響也越大。對(duì)導(dǎo)流板角度、導(dǎo)流板間距、導(dǎo)流板寬度、導(dǎo)流板布置方式這四個(gè)因素分別設(shè)置三個(gè)水平值，目標(biāo)函數(shù)則是殼程壓降和傳熱系數(shù)。針對(duì)四因素三水平設(shè)置了9組正交試驗(yàn)方案并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 U形導(dǎo)流板換熱器正交試驗(yàn)結(jié)果

每個(gè)因素不同水平的平均值之間最大值和最小值的差值即為極差。各因素下壓降的均值和極差結(jié)果列于表6，傳熱系數(shù)的均值和極差列于表7。從表6和表7的極差值可以得出，四個(gè)因素對(duì)壓降和傳熱系數(shù)的影響程度大小為：角度＞布置方式＞寬度＞間距。角度和布置方式對(duì)壓降和傳熱系數(shù)的影響遠(yuǎn)大于間距和寬度，主要原因在于角度和布置方式對(duì)殼程流動(dòng)形態(tài)影響較大，而間距和寬度則影響了殼程局部的流動(dòng)方式，對(duì)主流影響較小。對(duì)U形導(dǎo)流板換熱器的殼程結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)應(yīng)優(yōu)先從導(dǎo)流板角度和導(dǎo)流板布置方式入手。

表6 壓降模擬結(jié)果的極差

表7 傳熱系數(shù)模擬結(jié)果的極差

5 結(jié)論

利用CFD方法對(duì)U形導(dǎo)流板換熱器和扭轉(zhuǎn)流換熱器殼程流動(dòng)進(jìn)行模擬研究。分析U形導(dǎo)流板換熱器流動(dòng)特性，并對(duì)導(dǎo)流板布置方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)殼程性能的影響進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

（1）采用U形導(dǎo)流板代替類梯形導(dǎo)流板，殼程流體在導(dǎo)流板區(qū)域呈多股斜向流動(dòng)，整體呈螺旋流動(dòng)，使得流體更加均勻沖刷換熱管束，有效減小殼程流動(dòng)阻力。

（2）極差結(jié)果顯示導(dǎo)流板布置角度對(duì)換熱器殼程壓降和傳熱性能影響最大，布置方式影響次之，導(dǎo)流板間距的影響最小。

（3）在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，U形導(dǎo)流板換熱器較扭轉(zhuǎn)流換熱器壓降降低45.3%～47.5%，均勻性提高2.4%～4.0%，綜合性能提高4.0%～14.6%。

—— 導(dǎo)流板布置間距，m

—— 殼程當(dāng)量直徑，m

—— 阻力因子

—— 換熱系數(shù)，W/（m·K）

—— 湍動(dòng)能，m/s

—— 換熱管長(zhǎng)度，m

—— 殼程質(zhì)量流量，kg/s

—— 努塞特?cái)?shù)

—— 網(wǎng)格數(shù)

Δ—— 殼程壓降，Pa/m

—— 熱通量，W/m

—— 速度均勻性指標(biāo)

Δ—— 對(duì)數(shù)平均溫差，K

—— 管壁溫度，K

—— 入口溫度，K

—— 出口溫度，K

—— 殼程平均流速，m/s

v—— 網(wǎng)格單元的速度，m/s

—— 導(dǎo)流板寬度，m

W—— 不確定度

—— 速度與溫度梯度協(xié)同角，（°）

—— 速度與壓力梯度協(xié)同角，（°）

—— 湍流動(dòng)能耗散率，m/s

—— 有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

—— 導(dǎo)流板布置角度，（°）

—— 動(dòng)力黏度，m/s

—— 流體密度，kg/m

—— 運(yùn)動(dòng)黏度，m/s