作者：张毅
本文研究小型换热器模型，忽略泄漏和旁路，选用单弓形折流板为壳侧流体导流。其沿壳侧交错布置，支撑管束之外还可增大壳侧流体湍流度。
换热器设计常用参考为Kern模型和Bell-Delaware模型。Kern模型较保守，适用于预设计选值；而Bell-Delaware模型能较准确估测壳侧几何构型对压降和传热的影响，发现设计缺陷，但无法指出缺陷所在。本文使用CFD方法，建立小型管壳式换热器模型，使用软件ANSYS Fluent 6.3和Gambit，将壳侧流场和温度场可视化。本研究采用三种壳侧人口流速，对比模拟结果与Bell-Delaware模型数据，确定最佳折流板间距。
1 管壳式换热器模型建立
本研究中，壳侧流体为水，为提高匹配度，根据参考文献中饱和水蒸气热物理性质表，运用线性函数重新定义Fluent中常数水的物理参数。图1为本文研究的六块折流板的小型换热器模拟示意图，表1为该小型管壳式换热器的设计参数。
流动问题在数值计算前需求解连续性方程和动量方程。本文考察换热器温度场，故需另求解能量方程。表2为本文采用的数值模拟控制方程。
表2各式中：p是空气密度；t是时间长度；U是合速度；u、v和w分别是速度矢量在x、y和z方向上的分量；p是流体微元体上的压力；Txx、Txi和丁。等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力r的分量；F、F和E是微元体上的体力；ketr是有效导热系数，Z，是组分/ 7的扩散通量。方程右边的前三项分别描述了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量疏运。源项S为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转化为热能的部分，包括了化学反应热、辐射热、相间热量交换以及自定义的体积热源项目，有时简称其为粘性耗散相。
壳侧流体进口为速度进口，速度特征均匀，温度为300K，出口为压力出口，无压降；壁面为无滑移条件；换热器与外界绝热，壳侧无热流。因管侧流动易求解，故本文主要研究壳侧流动，模型中管为实心圆柱体，管壁温度为450K定温。
运用CFD数值模拟前需对物理对象进行建模和网格化分。本模型的面网格为四边形网格，体网格为四边形一杂交网格，用两种网格划分方式前处理6块折流板的换热器模型。粗网格约为700，000个；细网格约为1360，000个。
本模型壳侧流体流动为湍流。湍流模型的选择目前也没有通用标准。
本研究采用了Spalart Allmaras模型和两种不同的k一s湍流模型。其中，Spalart Allmaras湍流模型只需求解一个湍流方程，是ANSYS Fluent计算量最小、最经济的模型。标准k-8双方程模型为基于漩涡粘度各向同性的假设基础上的半经验模型，经济、准确、适用范围广泛，其涡流粘度C为常数。另有Realizable k-8模型，其采用新湍流粘度公式，故C为变量表达式。
通过CFD求解非线性方程组，将其离散化。离散方法分为有限差分法、有限元法和有限元体积法等。其中，有限体积法因其计算的高效率，为商用的CFD软件采用，本文也选用此方法。
离散后生成对流一扩散问题的离散方程组。一阶和二阶迎风格式本文皆有相关模拟。一阶离散中，压力选用标准格式，动量、湍流动能和耗散率选用一阶迎风格式；二阶离散巾，所有量都选用二阶迎风格式。压力残差收敛标准取为10-6，其他项残差取为10-3。
2 湍流模型和离散阶对CFD模拟结果的影响
本文采用六块折流板的小型换热器模型进行研究，如图1。
一阶和二阶离散格式，以及三种不同的湍流模型（Spalart Allmaras模型，标准k-8模型和其修正式）分别用粗细两种网格密度来进行模拟，以考察湍流模型、离散阶及网格密度的选择对模拟结果的影响。模拟结果与Kern模型和Bell-Delaware模型的对比示于表3中，壳侧压降可直接由CFD导出得到，传热系数通过对数平均温差( LMTD，log -mean -temperature-difference)的方法求得。
分析表3，可知模拟结果全高于Kern模型值，是因Kern模型本身较保守，而模拟结果与Bell-Delaware模型拟合度较高，且质量流率越小拟合度越高。同时，模型选择对模拟结果有一定影响，这体现在不同模型结果与Bell-Delaware方法计算值的差别上。通过剔除差别较大的模型，得到与Bell-Delaware方法最相匹配的模型选择。
在B情况中，壳侧出口温度随着质量流量的增大而增大，总传热效率不符合常理，因此首先剔除。在A，D，D-2三种情况中，湍流模型为标准k-8湍流模型，壳侧出口温度各异，但是总传热效率与Bell-Delaware的差别随着质量流量的减小而增大，因此也被剔除。C，E，E-2三种情况应用了k一s湍流模型的修正式，壳侧出口温度随着质量流量的增大而降低，总传热效率的模拟结果也在预计范围内，其中，E情况为Bell-Delaware方法的最佳匹配模型，即修正式k-8湍流模型，精细化网格的一阶离散格式。
整体看来，表3中的压降都低于分析计算值，究其原因，主要是因为折流板与壳侧直径之比B/Ds=0.96满足推荐的给折流板开口为B，=36%换热器的值。若折流板缺口面积比流体横截面小很多，模型就会低估压降大小。与文献[16]中提到的相反，Mukherjee建议，最优化的B/D.,应在0.3～0.6之间，本研究证明了B/D，值应在0.96上适当减小，故在分析中，对于已知长度的小型换热器，可减小B/Ds值，即增大N值。
3 折流板间距对换热器压降和传热的影响
在折流板开口为36%时，本研究考察已知长度的换热器中四种不同数量折流板（即四种折流板间距）对壳侧流体压降和传热的影响。表4为四种模型的基本情况。
模型采用修正式k-8湍流模型，精细化网格的一阶离散格式，12块折流板模型达1568，850个网格。四种模型分别用壳侧人口流体三种不同的质量流量来模拟，得到的12种结果列于表5中，各参数与Kern方法和Bell-Delaware方法的差值比列于表5中。
由表6的结果可以看出，减少折流板间距（即增多折流板数量），模拟结果与Bell-Delaware的匹配性提高，但与Kern方法的匹配性提升不明显。通过调节B/Ds的比值，8，10，12块折流板与Bell-Delaware方法拟合良好，在质量流量为lkg/s时，两者之差可减小至10%以内。压降结果也有所改良，对于12块折流板的情况，差别小至10%。
在质量流量为lkg/s的情况下，四种不同数量折流板情况的速度路径曲线为图2～5。
在图2和图3中，流体撞击折流板，流向改变，出现返流区域，折流板后部壳侧空间传热效果大大降低，影响总传热效率。而在图4和图5中，流体在壳侧空间充分发展，返流区域消失，传热效果良好，这一点在数据上也有所体现。因为Bell-Delaware模型为基于收集大量实验的换热器数据，因此必然有与实验最为吻合的一个CFD模型。
4 结论
1)考察不同网格划分精度、离散阶和湍流模型的选择对于结果的影响，将结果与Bell-Delaware方法计算值对比，可知修正式k-8湍流模型，精细化网格的一阶离散格式为最佳模型。
2)Kern模型传热系数值总比模拟结果小。
3 )Bell-Delaware模型与模拟结果吻合度高。对于传热效率，Bell-Delaware模型和模拟结果相差大多数情况下都小于2%，验证了Bell-Delaware模型在换热器设计领域的权威性。
4)高吻合也说明CFD是求解换热器流场和温度场的很好工具。随着计算机技术的发展，学者可用CFD技术模拟大型管壳式换热器，以帮助设计人员设计更佳性能的换热器。
5摘要：本文运用CFD软件Fluent对小型管壳式换热器壳侧流场和温度场进行数值模拟，研究不同数量折流板（即不同折流板间距）对于换热器压降大小和传热系数的影响。对比CFD模拟结果与Bell-Delaware实验数据，结果吻合良好，证明了本数值模拟的准确性。
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