摘要　基于多孔介質(zhì)與分布阻力的概念,采用FLUENT軟件對單弓形折流板換熱器的殼程流場進行了三維數(shù)值模擬,模擬結果與實驗結果吻合較好。在此基礎上針對折流板換熱器殼程壓降大、能耗高,存在傳熱死區(qū)等的缺點提出了殼程流場的改進方案,即在增加折流板缺口高度的同時,再加入2塊分隔板。通過數(shù)值模擬可以看到殼程流場改進后不僅具有壓降低、場協(xié)同性能好、基本無傳熱死區(qū)等特點,而且在一定程度還提高了管束抗流體誘導振動的性能。
     引　　　言
    單弓形折流板換熱器廣泛應用在能源、動力、核能、石油、冶金、制冷、化工等工程領域,但是這種傳統(tǒng)換熱器在折流板的迎風及背風面都存在著較大的渦流死區(qū),而且這些大尺度渦流并非產(chǎn)生在傳熱界面上,對傳熱強化無顯著的作用,對流體的輸送功的有效利用極為不利,使得傳統(tǒng)的單弓形折流板管殼式換熱器傳熱效率低且阻力損失大,所以提高單弓形折流板換熱器的傳熱效率,減小其能量損失具有十分重大的工程意義。隨著計算機及CFD技術的發(fā)展,數(shù)值模擬技術成為新型換熱器設計的得力工具。筆者基于多孔介質(zhì)與分布阻力的概念,對單弓形折流板換熱器殼程流場進行了三維數(shù)值模擬,并提出了消除傳熱死區(qū)、減小殼程壓降的節(jié)能降耗方法。
    殼程多孔介質(zhì)模型及其控制方程　　
    殼程多孔介質(zhì)模型\[1\]是指把殼程流體的流動看成是流經(jīng)多孔介質(zhì)的運動,將管束對于流體的作用歸結為多孔介質(zhì)的2個控制要素,即體積多孔度與表面滲透率。體積多孔度是指控制體中流體所占的體積百分數(shù)。表面滲透率是指控制容積的表面上流體表面積所占的百分數(shù)。殼程單相流動的體積多孔度控制方程為：
（σvρφ）t+xσxρuφ-Γφφx+yσyρvφ-Γφφy+zσzρwφ-Γφφz=Sφ+f（1）式中　σv———體積穿透率;　σx、σy、σz———x,y,z方向的表面穿透率;　f———在動量方程中為分布阻力,在能量方程中為分布熱源;式中其它各項的物理意義與經(jīng)驗系數(shù)詳見文獻[1]、[2]。
    分布阻力模型分布阻力\[2～4\]是換熱器多孔介質(zhì)模型中的重要參數(shù),也是一個十分復雜的參數(shù)。分布阻力主要是從實驗數(shù)據(jù)的擬合公式中求取,目前一般是利用一維縱掠管束和橫掠管束的實驗數(shù)據(jù)擬合公式來得到三維方向上的阻力。在直角坐標系下,定義分布阻力的3個分量分別為u,v,w。其中,u為縱向沖刷管束時的阻力分量,v、w為橫向沖刷管束時的阻力分量且認為兩者相等。采用的流動阻力關聯(lián)式分如下2種\[5\]:（1）對于縱向流動采用的阻力關聯(lián)式為
                    Δp=fρlu22de（2）
          式中　Δp———縱向沖刷阻力;　
             l———單位管子長度;　
               ρ———流體密度;　
              u———平均速度;　
           f———阻力系數(shù),當Re>2000時
     1f=1 74-2lg2εde+18 7Ref（3）　　
     de———當量直徑,
     de=Di-nd20Di+nd0（4）式中　
      Di———殼體內(nèi)徑;　
     d0———換熱管外徑;　
     n———殼體內(nèi)的總管數(shù);　
    ε———粗糙度;　Re———縱向流雷諾數(shù)。
     （2）對于橫向流動采用的阻力關聯(lián)式為Δp=fnρu22（5）
    式中　Δp———橫向沖刷阻力;　
       n———單位長度上受流體沖刷的管排數(shù);　
       u———流體在管束zui窄處的速度;　
       ρ———流體密度?！?br />       f———管子錯排時的橫向阻力系數(shù),f=40 23+0 11（x1-1）1 08Re-0 15（6）式中　
      x1———系數(shù),x1=S1d0;　
      S1———縱向管間距;　
      d0———管子外徑;　
      Re———zui小流通截面處的雷諾數(shù)。當流體斜向沖刷管束時,橫向沖刷阻力Δp應乘以沖擊角修正系數(shù)φ,詳見參考文獻[5]。
     多孔介質(zhì)模型可信度驗證對1臺具有4塊折流板5個流程的單弓形折流板換熱器進行了殼程壓降和傳熱性能實驗測定,測得8組實驗數(shù)據(jù),然后運用多孔介質(zhì)模型對該換熱器的殼程流場和傳熱性能進行數(shù)值模擬。該換熱器殼程工作介質(zhì)為空氣,管程工作介質(zhì)為蒸汽。折流板換熱器的結構尺寸參數(shù)如下:
殼體內(nèi)徑:145mm;
殼體長度:1900mm;
換熱管外徑:14mm;
換熱管根數(shù):37;
管間距（正三角布管）:19mm;
折流板數(shù):4;折流板缺口弦高:30mm。