摘 要

因为能源与环境问题的日益突出，传统的纯液体已不再适宜作为换热设备的传热工质，其低下的传热性能是发展高效传热技术的主要阻碍。随着纳米科学与技术的迅猛发展，世界各国的研究人员越来越关注纳米流体的研制与应用上，并在过去的数年里取得了一定的研究成果，纳米流体技术在能源、航空、动力等工业中逐渐推广开来。管壳式热交换器是这几十年来研究得最充分、应用得最为普遍的一种换热器，将这一类传统的发展成熟的热交换器与纳米流体新兴技术相结合起来，具有重大的工程应用意义。

论文采用计算流体动力学（CFD）大型仿真软件之一的COMSOL Multiphysics设计构建出一个管壳式换热器模型，并在管壳式换热器的管道通入热流体纯水、在壳侧通入冷流体空气，然后进行数值仿真模拟，得到其在管壳式换热器内的流动特性和传热特性结果。之后保持其他条件不变，将热流体置换为质量分数为0.5%的氧化铝-水纳米流体，其中纳米流体的热物性是根据相应的控制方程计算得到，再次利用COMSOL软件进行数值仿真模拟，得到氧化铝-水纳米流体在管壳式换热器内的流体特性和传热特性结果。通过计算得出换热工质的压力场、速度场、温度场等在三维空间中的分布。最后分析对比纯水与氧化铝-水纳米流体两种工质的流动和传热特性，验证了具有特殊热物性的纳米流体在强化换热过程中的优越性。

关键词：管壳式换热器；纳米流体；数值模拟；传热

Abstract

Because of the increasingly prominent energy and environmental problems, the traditional pure liquid is no longer suitable as a heat transfer fluid of the heat transfer equipment, its low heat transfer performance is the main obstacle to the development of efficient heat transfer technology. With the rapid development of nanoscience and technology, researchers from all over the world pay more and more attention to the development and application of nanofluids, and in the past few years has made some research results, nanofluids technology in energy, aviation, power and other industries gradually widely. Shell-and-tube heat exchangers are the most widely used heat exchangers for decades. This combination of traditional mature heat exchangers and nano-fluid emerging technologies has a certain theoretical significance and engineering practical value.

This paper designs a shell-and-tube heat exchanger model based on COMSOL Multiphysics, one of the large-scale simulation software of CFD. And in the shell and tube heat exchanger pipe into the hot fluid pure water, in the shell side of the cold fluid into the air, and then perform numerical simulation to obtain the flow characteristics and heat transfer characteristics in the shell and tube heat exchanger. After which the other conditions were kept constant, the hot fluid was replaced with an alumina-water nanofluids with a mass fraction of 0.5%, the thermal properties of the nanofluids are calculated from the corresponding control equations, the simulation results show that the fluid properties and heat transfer properties of alumina-water nanofluids in the shell-and-tube heat exchangers are obtained by numerical simulation using COMSOL software. The distribution of the pressure field, velocity field and temperature field in the three - dimensional space of the heat exchanger is calculated. Finally, the flow and heat transfer characteristics of pure water and alumina - water nanofluids were analyzed, and the superiority of nanofluids with special thermophysical properties in the process of heat transfer was verified.

Key Words：Shell and tube heat exchanger; Nanofluids; Numerical Simulation; Heat transfer

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2纳米流体的发展状况 1

1.3管壳式换热器的发展状况 2

1.4本章小结 3

第2章 管壳式换热器概述 4

2.1 管壳式换热器的结构类型 4

2.2管壳式换热器的用途分类 4

2.3管壳式换热器的主要部件 5

2.3.1管板 5

2.3.2分程隔板 5

2.3.3纵向隔板、折流板及支持板 5

第3章 数值模型理论基础及COMSOL软件介绍 7

3.1 计算流体动力学 7

3.2 流体流动的基本特性 7

3.3 流体动力学基本方程 8

3.4 离散化概述 9

3.5 COMSOL Multiphysics软件介绍及运用 10

第4章 换热器内纳米流体流动和传热特性 11

4.1管壳式换热器的特征参数和几何模型 11

4.2 控制方程及边界条件的确定 12

4.3 COMSOL软件的使用与设置 14

4.3.1 构建模型 14

4.3.2 网格划分 15

4.3.3 收敛图的分析 16

4.4 流动与传热特性分析 16

4.5 本章小结 21

第5章 结论与展望 23

5.1 全文工作总结 23

5.2前景展望 23

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

在工业社会中，能源储备日益凸显其重要性，全球煤碳、原油、天然气等资源储量有限因此不可再生能源面临着枯竭的风险。同时环境污染日益加剧，正是大部分发展中国家面临的难题。当今除了积极研发新的可再生能源以外，世界各国都在积极推进节能减排事业的发展以缓解能源问题。在动力、原子能、制冷、石化生产、微电子、航天器热控制等工业部门广泛应用着换热系统。因此节能减排意味着需要更高效率的热交换器从而提高能量利用效率。由此可见，换热设备的技术升级进步直接关乎国民经济动脉的发展和人民生活质量的提高 ^[1-2]。

自打工业上应用热交换器以来，最先得到蓬勃发展的便是间壁式热交换器这一大类别，而管壳式换热器正是这几十年来研究得最充分、应用得最为普遍的一种换热器，占有世界换热器市场的三分之一之多^[3-5]。管壳式换热器具有技术成熟、适应作业环境广泛、适用流体材料广泛、制造相对简便等优势使得它这些年来即使面临诸多新型花样繁多的热交换器的挑战也依然屹立于化工生产的重要地位。伴随着动力工程、石油化工、电力、轻工、车辆等工业的发展，其热交换器也持续朝着高效、高温、高压、大型化方向发展，因此对换热器的效率和性能也要求越来越高的标准。因此在当下继续对管壳式换热器开展深入细致地研究仍然具有相当大的工程意义^[6]。目前，在管壳式换热器中研究纳米流体的流动和传热特性方兴未艾，故用不同种类的纳米流体于管壳式换热器中进行研究大有可为^[7-10]。