本文是一篇土木工程论文，本文设计一种锥形孔折流板管壳式换热器，首先通过数值模拟分析法研究单锥形孔射流以及双锥形孔射流的流动及传热特性，然后利用 CFD 软件建立了弓形折流板换热器与锥形孔折流板换热器的几何模型，并使用数值计算与理论分析的方法对比模拟出其壳侧流体流场、温度场、压力场变化，并比较两种换热器综合性能的大小，最后在此基础上模拟研究不同结构参数如锥形孔流通体积比、锥形孔收缩角、折流板间距、数量的锥形孔折流板换热器壳侧流动情况，分析这些结构参数对换热器传热性能的影响，从而确定最佳锥形孔折流板结构参数。
第 1 章 绪论
1.1 本文研究背景及其意义
当前，随着全球科学技术的进步与经济的发展，不可再生能源资源使用日趋紧张，人类对煤炭、石油等资源过分开采与浪费，使得全球气候与环境污染问题迫在眉睫，新能源的开发与可持续发展必将是大趋所势[1]。我国是世界能源大国，能源总量丰富，但面临着人均量较少，能源利用浪费等问题，因此，节能降耗，合理使用现有能源已然成为我国可持续发展的重要宗旨[2]。
工业是我国能源消耗的主要领域，而换热器是作为实现两种或多种冷热流体间热能交换的交换器,在我国石油、化工等产业中应用颇广。换热器换热效率的提高对工业产品的生产以及设备稳定运行，减少能源的消耗等方面均起着至关重要的作用[3-4]。管壳式换热器在石油、化工等产业中设备投资中占据主要市场，主要是因为其具有结构简单易造，材料易选且价格低，稳定性较好等优点[5]。优化管壳式换热器结构以达到强化换热的目的对于提高能源使用率，减少工业成本显得至关重要[6]。
管壳式换热器作为换热器中应用最广泛的换热设备之一，通过结构的优化改进从而强化换热的途径主要有两个：管程优化和壳程优化。其主要原理都是通过改变流体流向来增强流场的扰流，减薄管束壁面热边界层，使冷热流体充分换热，进而加快换热速率[7-8]。管程强化换热主要是以使用热导率较高的换热管材或者管束内增加扰流物的方法来强化管内换热；壳程强化换热主要以使用各种形状的支撑结构来增强壳程换热效果，壳程的支撑挡板结构也是影响换热器壳侧换热效率的主要因素之一。弓形折流板换热器由于折流板的结构使得流体在壳程呈 Z 形流动，壳侧流体横向冲击管束，与管内流体交换热量，是一种结构简单应用广泛的横向流换热器，但弓形折流板背后会形成较大三角流动死区，该区域流体流动受阻较大，易形成污垢，减小了流体与管束之间的换热面积，而且弓形折流板换热器的横向流动易使管束产生横向阻力，影响换热器使用寿命[9]。因此，优化管束支撑结构设计逐渐成为众多学者研究换热器强化换热的热点。
1.2 管壳式换热器壳侧强化换热研究现状
管壳式换热器壳侧支撑元件是影响换热器壳侧流体流场、温度场以及压力场的重要结构，研究新型壳侧支撑结构的目的是为加快换热器壳侧流体扰动，增大流体湍流度，减小壳侧压降，从而提高换热器综合性能[10]。如今使用较广泛的壳侧支撑元件主要有板式支撑、杆式支撑以及其它支撑元件。
板式支撑结构广泛应用于换热器结构中，它能够很好的支撑换热管束，具有较好的稳定性。如今常用的板式支撑有弓形折流板、螺旋折流板、整圆形折流板。
弓形折流板换热器作为结构简单应用广泛的横流式换热器，众多学者对其壳侧流动及传热机理进行了相关研究。Uday C.Kapale [11]等推导出雷诺数处于1000
第 2 章 锥形孔折流板换热器结构设计及数值模拟理论
2.1 锥形孔折流板换热器的结构设计
传统弓形折流板换热器作为一种结构简单应用广泛的横向流换热器，如图2-1 所示，一方面因为折流板的遮挡，流动过程中存在较明显的流动死区，流动死区致使该区域流体流动缓慢，易产生结垢，从而降低换热器性能，另一方面，由于流体在壳侧呈 Z 字流动，对管束横向冲击较大，易使管束受损。为了缓解上述问题，提出一种新型锥形孔折流板纵向流换热器，其结构如图 2-2、2-3 所示，包括管板、管束、壳体、前管箱、后管箱，前出口管、后出口管和若干折流板，壳体管束均相嵌于前后管箱，通过管板使管箱与壳体隔离。在折流板上设有若干正方形排列的锥形渐缩孔以及圆孔，其中圆孔由换热管束紧密贴合，换热管束由42 根圆柱形管束组成，其中每根换热管管孔间距为 35mm，壳体内管束与锥形孔相间排列，换热管沿横纵中心轴线对称。
图 2-4 是锥形孔折流板换热器纵截面示意图，如图所示壳侧热流体由壳程进口管流入，首先进入管程Ⅰ区，由第一块折流板的锥形渐缩孔进入Ⅱ区，Ⅲ区，Ⅳ区，最终进入Ⅴ区，在Ⅰ区-Ⅴ区，壳侧热流体经过锥形孔渐缩孔产生一定流速的射流流体冲刷换热管束，增加了壳侧流体的湍流度，削弱了管束周围的换热边界层，强化与管束之间的换热。
2.2 数值模拟技术及控制方程
2.2.1 数值模拟技术
FLUENT 是用于模拟和分析几何模型流体形态的 CFD 计算软件，在模拟研究中应用广泛。如图 2-7 为 FLUENT 程序处理流程图，它具有强大的自适应性功能，这可以使精确求解过程中有效的节约计算时间。
使用 CFD 计算软件在对模型进行数值计算时，都需要经过以下程序：前处理器、求解器、后处理器[36-37]。
第 3 章 锥形孔射流特性研究............................13
3.1 锥形孔射流模型的建立...................13
3.1.1 锥形孔射流模型的建立及网格的划分...........................13
3.1.2 边界条件......................................14
第 4 章 锥形孔折流板换热器与弓形折流板换热器数值模拟对比研究................24
4.1 模型的建立及网格的划分...........................24
4.1.1 网格划分及独立性检验.............................25
4.1.2 边界条件的设定及模型的简化假设.......................26
第 5 章 不同折流板结构参数的锥形孔折流板换热器传热性能分析....................36
5.1 不同锥形孔流通体积比对锥形孔折流板换热器综合性能的影响...........36
5.1.1 压降分析..........................36
5.1.2 传热系数分析...................................37
第 5 章 不同折流板结构参数的锥形孔折流板换热器传热性能分析
5.1 不同锥形孔流通体积比对锥形孔折流板换热器综合性能的影响
本节模拟研究不同锥形孔流通体积比参数的锥形孔折流板换热器壳侧流动传热特点，分析锥形孔流通体积比对换热器壳程压降、传热系数及综合性的影响。流通体积比指的是一块锥形孔折流板中锥形孔总体积占锥形孔折流板体积的比值，研究范围为 7.1%、10.9%、15.2%、20.3%，壳程流体介质为水，入口流量为0.98kg/s~4.91kg/s，换热器其他结构参数不变。
5.1.1 压降分析
图 5-1 为不同锥形孔流通体积比（7.1%、10.9%、15.2%、20.3%）下壳程压降随流量的变化，由图可见，换热器壳程压降随着锥形孔流通体积比的增大而单调降低。锥形孔流通体积比为 7.1%时的壳程压降比锥形 10.9%、锥形 15.2%、锥形 20.3%增大约 14%、15.8%、17.4%。结果表明，锥形孔折流板换热器壳程压降随着锥形孔流通体积比的增大而逐渐降低，这是因为在一定的壳程入口流量下，锥形孔流通体积比越小，壳程流体经过锥形孔时产生的射流流体速度越大，对管束的冲刷力度也越大，相应地，流动压力也增大，局部损失较高。
结论
弓形折流板换热器因为折流板结构的遮挡，流动过程中存在较明显的流动死区，流动死区致使该区域流体流动缓慢，换热效果差，从而降低换热器性能。本文设计一种锥形孔折流板管壳式换热器，首先通过数值模拟分析法研究单锥形孔射流以及双锥形孔射流的流动及传热特性，然后利用 CFD 软件建立了弓形折流板换热器与锥形孔折流板换热器的几何模型，并使用数值计算与理论分析的方法对比模拟出其壳侧流体流场、温度场、压力场变化，并比较两种换热器综合性能的大小，最后在此基础上模拟研究不同结构参数如锥形孔流通体积比、锥形孔收缩角、折流板间距、数量的锥形孔折流板换热器壳侧流动情况，分析这些结构参数对换热器传热性能的影响，从而确定最佳锥形孔折流板结构参数。
本文的研究结果如下：
（1）单锥形孔四管射流径向速度剖面不断沿两侧发展，流体中心线速度逐渐增大，达到一个最大速度后，随后沿着中心轴向两侧逐渐衰减。随着管孔间距的增加，速度沿轴向向两侧衰减的越快，且呈伞状衰减。单锥形孔射流流体壳侧流体温度沿中心轴径向升高，中心线温度云图呈明显梯度变化。随着管孔间距的增大，近壁处射流速度减小，温度边界层逐渐变化，换热削弱，壳侧流体温度上升缓慢。单锥形孔射流管壁表面摩擦系数在锥形孔出口处的摩擦系数最大，近出口处有一个突降，随着射流速度沿壁面径向发展，管壁表面的摩擦系数也逐渐增大，而后达到一个峰值，此时射流中心速度达到最大值。
（2）双锥形孔六管射流温度分布沿中心向两侧扩散，在射流边缘区温度梯度高，换热效果好。随着管孔间距的增大，单锥形孔与双锥形孔射流边缘区温度梯度逐渐降低，换热效果差。双锥形孔射流管壁表面摩擦系数与单锥形孔射流表面摩擦系数分布大致相同。双锥形孔射流中两股射流会产生干涉，在孔间距为40mm 时，干涉作用最为强烈，两股射流之间产生涡流区。
（3）单锥形孔四管射流以及双锥形孔六管射流在管孔间距为 35mm 时，管壁表面换热系数最大，换热效果最好。
参考文献（略）
结论与展望
