板壳式换热器壳程流动与传热性能的数值模拟

板壳式换热器作为高效紧凑式换热器的一种具有换热效率高、端部温差小、压降低、节省占地面积、节约工程及设备安装费用、节省装置操作费用等优点，适合炼油、化工等领域大型化生产装置的使用要求。因其紧凑且体积小、耐温抗压、易清洗少结垢等的优点在食品制药等领域广为使用。板壳式换热器采用波纹换热板片，波纹板片依靠自身的波纹结构设计实现了低雷诺数下的湍流强化换热。

波纹夹角、波纹高度、波纹间距是板壳式换热器板片的重要几何参数，本文受某生产企业委托，针对该企业某型号产品的波纹高度对该换热器流动和传热性能的影响进行模拟研究，对该产品的优化设计具有参考价值。在汉斯出版社《建模与仿真》期刊中，有学者建立了板壳式换热器单流道的物理模型，利用CFD模拟了不同波纹高度H下壳程流场的变化，分析研究此变化对于壳程流动和传热性能的影响。

结合该换热器实际的流动与换热特点，对数学模型做出以下假设：流体为不可压缩的牛顿流体；流体的流动为定常流动；忽略重力和浮升力的影响；忽略流体的粘性耗散作用；与空气接触的板片与周围环境绝热。因此本次模拟主要运用连续性方程、动量方程和RNGk-ε模型。

流体在板片间的流动方式主要分为曲折流与十字交叉流，流体流动形式的变化是由于流体在沟槽中流动时，受到相对板片上沿另一方向流动的流体作用的切向力以及流体间的相互拖拽共同造成的。随着内部流体的流速降低，曲折流会逐渐抓变为十字交叉流。由于波纹高度的增加，流体向着板片间的波峰与波谷发展，从而产生十字交叉流。

随着波纹高度的增加，板片对流体的切向力增大，十字交叉流逐渐出现，并且随着波纹高度增大所占比例也逐渐增大，与此同时曲折流所占比例不断减小。当波纹高度为1.7mm时，流体速度相对较快，流体主要以曲折流的方式在板片内部流动，并且在触点后有涡流形成；当波纹高度为2.2~3.7mm时，流体开始沿着板片的沟槽形成了十字交叉流，触点后的涡流区减少，高速区网格状分布；当波纹高度为3.7~4.7mm时，十字交叉流占据的比例变大，流动死区减少，整体流速减慢。

在波纹高度较小时，曲折流占主导，但是由于板壳式换热器中波纹的存在，流体在低雷诺数下也能充分发展，同时触点使流体流动受到阻碍，扰动剧烈，因此流速变化明显，流体在触点处方向发生改变，形成涡旋，导致流动死区；随着波纹高度的变大，十字交叉流所占的比重增大，流体在板槽间的流动受触点的影响降低，提升高度使得流体不易被对侧流体的反向牵引力改变方向，流体的流动空间增加，因此漩涡区缩小，扰流效果减少，由于控制了流量不变，湍流减弱，板内整体速度降低。

综上：1)随着波纹高度的增大，流体的流动形式从曲折流变为十字交叉流。在波纹高度较小时，流动的主要形式为曲折流，随着波纹高度增大，触点对流体的影响降低。在波纹高度较大时，流动的主要形式为十字交叉流，流体漩涡较小且触点对流体的扰流较小。2)在对其流动性能的研究中可知：当波纹高度相同时，随着雷诺数的增大，湍动能逐渐增大，并且波纹高度越小，湍动能增加的幅度越大，湍流流动越强。因此，在设计板壳式换热器时，应根据产品的实际应用条件，综合考量流动性能和传热性能，选择合适的结构参数。

文章链接：https://doi.org/10.12677/MOS.2021.102056