论文总字数：23714字

摘 要

在当今工业部门领域中，换热器是十分重要的一种工业用换热设备，也是许多工业设施的核心。通过数值模拟，可以对换热器内部流场微观特征有进一步的认识，因此，对管壳式换热器的传热特性模拟对掌握实际应用及优化设计有重要意义。本文使用数值模拟软件ANSYS Fluent 8.0仿真计算了一般性1-1型管壳式换热器内部流场与传热效果。本文首先在保证相关仿真计算数据准确的前提下，简化了换热器的模型，然后建立了壳程和管程流体域的模型，最后完成了Fluent内的三维流体域的计算。

本文对不同折流板间距以及壳程进口流速参数条件下管程和壳程流体域和之间的热传递过程进行了仿真计算，通过控制变量法，综合得出相关参数下管程和壳程流体域的压力场，温度场和速度矢量场。发现一般情况下，缩短折流板间距和加快壳程入口流速可以提高换热器的换热效率，但同时也会给整个壳体容器带来过大的压力。因此不能一味地以换热量为性能标准。模拟同样对四种换热管排布方式下的壳程和管程流体域进行了仿真计算，正三角形排布换热管之间排布是较为紧密的，但其壳程流体压降较大，能耗损失较多，传热效果也最好；转角正三角形排布换热效果中规中矩；正方形排布换热管位置排布规整，换热最差；转角正方形排布其换热管间的间隙较大，流速较低，带来的湍流效应依旧不明显，换热效果一般。

关键词：管壳式换热器 数值模拟 流动与传热

Abstract

In today's industrial field, heat exchanger is an important type of industrial heat exchange equipment and the core of many industrial facilities. Through numerical simulation, we can further understand the microscopic characteristics of the flow field in the heat exchanger. Therefore, simulating the heat transfer features of shell and tube heat exchangers is important for learning real-world applications and designs. In this paper, the numerical simulation software ANSYS Fluent18.0 is used to calculate the internal flow field and heat transfer effect in the general 1-1 shell and tube heat exchanger. First, the fluid model of the shell side and the tube side is established. The model of the heat exchanger is simplified and three-dimensional fluid domain model in fluent is established, meanwhile ensuring the accuracy of the relevant simulation calculation data.

In this paper, the heat transfer between the tube side and the shell side fluid domain, with different baffle spacing and shell side inlet velocity parameters are simulated.The tube side and shell side fluid’s Pressure field, temperature field and velocity vector field under the relevant parameters are obtained by the control variable method.It was found that shortening the baffle spacing and accelerating the inlet velocity of the shell side can improve the heat exchange efficiency of the heat exchanger under normal circumstances, but it will also bring excessive pressure to the entire shell side. Therefore, the heat exchange capacity cannot be used blindly as the performance standard.Both two side fluid domains of the four tube-arrangements are simulated. The regular triangle arrangement is relatively tight, but the shell side fluid pressure drop and the energy loss is large with best heat transfer effect; the square arrangement is regular, and the heat transfer is the worst; The corner-square arrangement have Larger space between tubes ,which bring the lower velocity. The turbulence effect is not obvious and the heat transfer effect is general.

Keywords: Shell-and-tube heat exchanger；numerical simulation；flow and heat transfer

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 管壳式换热器技术进展 1

1.3 管壳式换热器的数值模拟研究 1

1.3.1 换热器的建模研究 1

1.3.2 国内对传热性能影响的研究 2

1.3.3 国外对传热性能影响的研究 3

1.4 本章小结 3

第二章 流动和传热数值模拟理论介绍 5

2.1 流体流动控制方程 5

2.2 湍流模型及壁面函数的选择 5

2.3 SIMPLE和Coupled算法 5

2.4 本章小结 6

第三章 管壳式换热器壳程流体域仿真模拟 7

3.1 换热器结构尺寸及几何模型 7

3.2 计算工况与计算条件的简化 8

3.3 网格划分及独立性验证 8

3.4 计算方法和边界条件 9

3.5 仿真结果分析 10

3.5.1 壳程流体整体流路分析 10

3.5.2 壳程入口速度对壳程流场的影响 13

3.5.3 不同折流板间距对壳程流场的影响 16

3.6 本章小结 20

第四章 管壳式换热器流体耦合传热数值模拟 21

4.1 换热器结构尺寸及几何模型 21

4.2 计算工况与计算条件的简化 22

4.3 网格划分及独立性验证 23

4.4 计算方法和边界条件 24

4.5 计算结果分析 24

4.5.1 壳程和管程整体流路分析 24

4.5.2 不同换热管排布方式对壳程流场的影响 27

4.6 本章小结 33

结论与展望 34

参考文献 36

致谢 39

绪论

研究背景及意义

在当今工业部门领域中，换热器是十分重要的一种工业用换热设备，也是许多工业设施的核心。通过数值模拟，可以对换热器内部流场微观特征有进一步的认识，因此，对管壳式换热器的传热特性模拟对掌握实际应用及优化设计有重要意义。

本文使用数值模拟软件ANSYS Fluent18.0仿真计算了一般性1-1型管壳式换热器内部流场之间的热传递过程，分析了该换热器的传热模型。研究步骤为建立几何模型、网格划分、数值求解、结构分析。最终得到一个最优的换热参数选择。

管壳式换热器技术进展

管壳式换热器的性能加强一向是全球工业关注的重点。常见的分为管程、壳程和组合强化传热三个方向研究。管侧强化换热技术可以概括为两个思路。一种是改变换热管截面的形态，这样可以有效增加管侧的流体湍流度或传热面积。另一种是在管内设置异物来提高管侧的湍流度；壳程流体的强化传热通常利用改变折流板和管束相关的组装位置的方法来增强效果。组合强化传热是同时应用两种或更多增强措施以获得更强的换热效果。

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