換熱器是油田化工和其他許多工業(yè)部門(mén)廣泛應(yīng)用的一種通用工藝設(shè)備，其中管殼式換熱器在石油化工行業(yè)中應(yīng)用尤為廣泛。西安交通大學(xué)采用逐步放開(kāi)流路的方法，應(yīng)用空氣一水兩相混合物研究了泄漏與旁路對(duì)殼側(cè)流型及流型轉(zhuǎn)變特性的影響。而管殼式換熱器成本較高，其熱工性能決定著后期運(yùn)行成本。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其流動(dòng)傳熱進(jìn)行了大量的研究。大慶油田擁有大量的管殼式換熱器，其性能直接影響的處理過(guò)程和油田節(jié)能減排的落實(shí)程度，而隨著含水率增加，換熱器結(jié)據(jù)率明顯，易造成其壁面的結(jié)塘甚至堵塞，并且由于污拒會(huì)對(duì)換熱器材料腐蝕，容易導(dǎo)致壁面穿孔造成物料泄漏和損失，甚至產(chǎn)生隱患。為消除換熱器結(jié)據(jù)和泄漏造成的損失，油田管理部門(mén)每年都對(duì)換熱器進(jìn)行清洗、堵漏作業(yè)，但目前尚無(wú)有效手段快速地評(píng)價(jià)換熱器的結(jié)塘和泄漏情況，導(dǎo)致需要針對(duì)每一臺(tái)換熱器進(jìn)行處理，造成管理成本的增加。而管殼式換熱器的流動(dòng)傳熱特性是評(píng)價(jià)其結(jié)塘、池漏的關(guān)鍵，也是進(jìn)行有效預(yù)測(cè)的前提條件。

換熱器流動(dòng)傳熱性能模擬和等人釆用多孔介質(zhì)模型對(duì)液態(tài)金屬換熱器和蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并將得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。流經(jīng)塊支撐板后，流體已充分發(fā)展，并且隨著殼程結(jié)構(gòu)周期性變化，傳熱與壓降也呈現(xiàn)周期性變化?？紤]介質(zhì)在管束間流動(dòng)各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，在分布阻力和體積多孔度的基礎(chǔ)上，提出了表面滲透度的概念，將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，取得了理想的結(jié)果。采用多孔介質(zhì)模型，對(duì)電廠蒸汽冷凝器的工作特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。由于此模型的物理過(guò)程存在相變，導(dǎo)致模擬變得更加復(fù)雜，因而計(jì)算中采用了簡(jiǎn)單的各向同性假設(shè)和一方程模型，并將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果吻合較好。

N Jiang和J Li對(duì)螺旋管式換熱器的壓力降進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。Ozkaya和Aradag等人[4]利用CFD軟件數(shù)值模擬研究了V字形密封板式換熱器的流動(dòng)傳熱特性，模擬不同進(jìn)出口溫度和質(zhì)量流率的工況，得到了換熱器冷端和熱端的出口溫度和壓降，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了不同努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性。Kotcioglu i和Nasiri KM等人應(yīng)用理想換熱器模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究，使用修改后的k-‘湍流模型，得到矩形通道板翅縱向打斷、放大和收縮時(shí)的溫度、速度和壓力分布圖。(1)基于進(jìn)出口動(dòng)態(tài)參數(shù)，建立管殼式換熱器結(jié)垢厚度和泄漏量的理論評(píng)價(jià)模型，給出評(píng)價(jià)模型的求解方式。

建立了一種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)套管式換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)及傳熱特性的數(shù)學(xué)模型，包括計(jì)算流體力學(xué)模型和計(jì)算傳熱學(xué)模型。其中，計(jì)算傳熱學(xué)模型中的瑞流擴(kuò)散系數(shù)是利用溫度方差和溫度方差耗散率來(lái)求解，而不是利用通常采用的數(shù)假設(shè)值或?qū)嶒?yàn)測(cè)定值來(lái)求解。分析換熱器的物理模型，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，分別對(duì)換熱器的管側(cè)和殼側(cè)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，研宄傳熱管束內(nèi)部的傳熱過(guò)程，同時(shí)分析換熱器殼側(cè)不同位置處的換熱情況。對(duì)換熱器的出口平均溫度進(jìn)行分析，分析出口平均溫度與設(shè)計(jì)溫度之間的誤差，評(píng)價(jià)換熱器的換熱性能。一種管殼式換熱器殼程單相流動(dòng)和傳熱的三維模擬方法，用體積多孔度、表面滲透度、分布阻力和分布熱源來(lái)考慮殼程復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)造成的流道縮小和流動(dòng)阻力、傳熱效應(yīng)，通過(guò)數(shù)值求解平均的流體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程，得到殼程流動(dòng)和換熱的分布。對(duì)換熱器殼側(cè)的速度場(chǎng)進(jìn)行研究，分析換熱器的結(jié)構(gòu)對(duì)自然循環(huán)的影響，并提出相關(guān)的意見(jiàn)對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化分析。

單弓形折流板管殼式換熱器物理模型復(fù)雜，因此選用適應(yīng)性強(qiáng)的正四面體和金字塔形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，使用GAMBIT劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格的數(shù)量直接決定了計(jì)算速度和精度。網(wǎng)格過(guò)少，將不到流場(chǎng)的流動(dòng)特性;網(wǎng)格過(guò)多，一方面會(huì)嚴(yán)重消耗計(jì)算機(jī)資源，另一方面大量的數(shù)值耗散積累會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的正確性。所以進(jìn)行網(wǎng)格的獨(dú)立性驗(yàn)證時(shí)十分必要的。以一個(gè)單弓形折流板管殼式換熱器模型為例進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。共三套網(wǎng)格:換熱器整體均為四面體，終網(wǎng)格數(shù)量為1,521,014個(gè);殼程為四面體網(wǎng)格，管程及殼程進(jìn)出口管為六面體網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為I ,952,621個(gè);由面到體依次畫(huà)網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個(gè)。大慶油田擁有大量的管殼式換熱器，其性能直接影響的處理過(guò)程和油田節(jié)能減排的落實(shí)程度，而隨著含水率增加，換熱器結(jié)據(jù)率明顯，易造成其壁面的結(jié)塘甚至堵塞，并且由于污拒會(huì)對(duì)換熱器材料腐蝕，容易導(dǎo)致壁面穿孔造成物料泄漏和損失，甚至產(chǎn)生隱患。后面兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計(jì)算精度與計(jì)算花費(fèi)，選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個(gè)。