本課題主要研究原穩(wěn)站用油油管殼式換熱器的三維數(shù)值模擬，換熱器以含砂作為內(nèi)部換熱介質(zhì)，考慮換熱面結(jié)垢和泄漏的影響，建立管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的傳熱模型，借助軟件對(duì)換熱器溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬，分析結(jié)垢厚度、泄漏口尺寸、泄漏口位置、泄漏口數(shù)量對(duì)換熱器傳熱性能的影響，創(chuàng)新點(diǎn)如下：基于流體力學(xué)和傳熱學(xué)的流動(dòng)和傳熱基本公式，建立了管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的理論預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用此模型解決了管殼式換熱器結(jié)垢及泄漏的理論預(yù)測(cè)分析。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。

列管式油冷卻器主要研究?jī)?nèi)容包括以下三部分：管壁污垢對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律研宄；換熱面泄漏對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律研究；基于管殼式換熱器進(jìn)出口動(dòng)態(tài)參數(shù)一溫度、壓力等，對(duì)管殼式換熱器內(nèi)部故障進(jìn)行診斷評(píng)價(jià)研宄。本課題結(jié)合大慶油田分公司某大隊(duì)原穩(wěn)站用管殼式換熱器的運(yùn)行特點(diǎn)，針對(duì)含砂油含砂油換熱器這一特殊介質(zhì)，借助軟件，在充分利用已有基本理論和研宄成果的基礎(chǔ)上，對(duì)管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏進(jìn)行了流動(dòng)傳熱的數(shù)值模擬，分析結(jié)垢和泄漏對(duì)換熱器流動(dòng)傳熱性響，研宄結(jié)論對(duì)利用換熱器熱工參數(shù)檢測(cè)管壁結(jié)垢和泄漏具有一定的理論用。(1)建模時(shí)保留了折流板，考慮折流板對(duì)殼程流體流動(dòng)和傳熱的影響。

對(duì)換熱器進(jìn)行不同工況分析，研究不同工況下?lián)Q熱器的換熱性能。并編寫換熱器的沸騰用戶自定義（模型，將模型導(dǎo)入軟件。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。分析換熱器出現(xiàn)沸騰工況下內(nèi)部蒸汽的流動(dòng)情況，并根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的研究提出對(duì)換熱器的改進(jìn)措施。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知，研究的自然循環(huán)換熱器能及時(shí)有效排出堆芯余熱，雖然模擬值和設(shè)計(jì)值之間有一定誤差，但是誤差很小不影響對(duì)換熱器模擬結(jié)果的分析。換熱器的復(fù)雜結(jié)構(gòu)使換熱器局部產(chǎn)生了“傳熱死區(qū)”和“流動(dòng)死區(qū)”，這些死區(qū)的存在影響了換熱器內(nèi)自然循環(huán)的形成。當(dāng)換熱器傳熱進(jìn)行一段時(shí)間后換熱器內(nèi)的殼側(cè)溫度會(huì)達(dá)到飽和出現(xiàn)沸騰，沸騰產(chǎn)生的大量蒸汽在換熱器的“尖角”處聚，會(huì)對(duì)換熱器內(nèi)流體的傳熱和流動(dòng)特性產(chǎn)生影響。

譽(yù)金機(jī)械運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法，借助FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)管殼式換熱器的三維模型進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)換熱器結(jié)垢和泄漏時(shí)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等分析，得出泄漏和結(jié)垢對(duì)換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響，為下一步利用熱工參數(shù)評(píng)價(jià)換熱器結(jié)垢和泄漏提供理論依據(jù)。油田原穩(wěn)站油一油管殼式換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)尺寸大，采用數(shù)值模擬研究時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求較高，采用CFD前處理軟件很難對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為便于研究分析，本課題在研究的過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際換熱器進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理。主要內(nèi)容如下:    

1.管壁污垢對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律研究。    

(1)考慮管壁污垢?jìng)鳠岬挠绊?，建立管殼式換熱器的三維流動(dòng)傳熱模型;

(2)研究油田原穩(wěn)站用油一油管殼式換熱器運(yùn)行過(guò)程中，含砂對(duì)換熱器殼程流場(chǎng)分布的影響，研究殼程流場(chǎng)內(nèi)的含砂量分布情況;     

(3)研究結(jié)垢厚度對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律。

2.管殼式換熱器內(nèi)部換熱面泄漏對(duì)換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律研究。      

(1)建立管殼式換熱器換熱面泄漏的三維流動(dòng)傳熱物理模型:    

(2)研究泄漏口尺寸對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律;    

(3)研究泄漏口位置沿?fù)Q熱器管長(zhǎng)方向變化對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律;      

(4)研究泄漏口所在換熱管沿?fù)Q熱器管徑方向變化對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律;    

(5)研究泄漏口數(shù)量對(duì)管殼式換熱器流動(dòng)傳熱性能的影響規(guī)律。

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);由面到體依次畫網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個(gè)。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)。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用周期性單元流道模型數(shù)值模擬了旋流片產(chǎn)生的衰減性自旋流的流動(dòng)和傳熱特性，并采用分段綜合因子分析了傳熱強(qiáng)化的機(jī)理。