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，借助軟件對換熱器溫度場、流場分布進行模擬，分析結(jié)垢厚度、泄漏口尺寸、泄漏口位置、泄漏口數(shù)量對換熱器傳熱性能的影響，創(chuàng)新點如下：基于流體力學和傳熱學的流動和傳熱基本公式，建立了管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏的理論預測數(shù)學模型，運用此模型解決了管殼式換熱器結(jié)垢及泄漏的理論預測分析。在換熱器整個殼程，固體砂子的體積分布整體比較均勻，為了數(shù)值模擬的方便，本課題忽略大粒徑固體砂局部沉積對其濃度分布的影響，將管殼式換熱器殼程內(nèi)部的結(jié)垢視為均勻結(jié)垢。

管式冷卻器主要研究內(nèi)容包括以下三部分：管壁污垢對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律研宄；瑞流模型對殼程流體流動與傳熱進行了數(shù)值研究，分析了三葉孔板換熱器殼程流動與傳熱特性。換熱面泄漏對管殼式換熱器流動傳熱性能的影響規(guī)律研究；基于管殼式換熱器進出口動態(tài)參數(shù)一溫度、壓力等，對管殼式換熱器內(nèi)部故障進行診斷評價研宄。本課題結(jié)合大慶油田分公司某大隊原穩(wěn)站用管殼式換熱器的運行特點，針對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，對管殼式換熱器結(jié)垢和泄漏進行了流動傳熱的數(shù)值模擬，分析結(jié)垢和泄漏對換熱器流動傳熱性響，研宄結(jié)論對利用換熱器熱工參數(shù)檢測管壁結(jié)垢和泄漏具有一定的理論用。

換熱器流動傳熱性能模擬和等人釆用多孔介質(zhì)模型對液態(tài)金屬換熱器和蒸汽發(fā)生器進行了數(shù)值模擬計算，并將得到的結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比。考慮介質(zhì)在管束間流動各項異性的特點，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，將其與試驗結(jié)果進行對比，取得了理想的結(jié)果。采用多孔介質(zhì)模型，對電廠蒸汽冷凝器的工作特性進行了數(shù)值模擬計算。為消除換熱器結(jié)據(jù)和泄漏造成的損失，油田管理部門每年都對換熱器進行清洗、堵漏作業(yè)，但目前尚無有效手段快速地評價換熱器的結(jié)塘和泄漏情況，導致需要針對每一臺換熱器進行處理，造成管理成本的增加。由于此模型的物理過程存在相變，導致模擬變得更加復雜，因而計算中采用了簡單的各向同性假設(shè)和一方程模型，并將其與試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果吻合較好。

N Jiang和J Li對螺旋管式換熱器的壓力降進行了數(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傳熱特性，模擬不同進出口溫度和質(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，基于實驗數(shù)據(jù)，分析了不同努塞爾數(shù)和摩擦系數(shù)的相關(guān)性。由于單弓形折流板管殼式換熱器是復雜幾何體，網(wǎng)格劃分需要采用分塊劃分的方法，將整個模型劃分成入口段、出口段和殼程三部分，進行網(wǎng)格劃分。Kotcioglu i和Nasiri KM等人應(yīng)用理想換熱器模型進行數(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、放大和收縮時的溫度、速度和壓力分布圖。

單弓形折流板管殼式換熱器物理模型復雜，因此選用適應(yīng)性強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)量直接決定了計算速度和精度。網(wǎng)格過少，將不到流場的流動特性;網(wǎng)格過多，一方面會嚴重消耗計算機資源，另一方面大量的數(shù)值耗散積累會影響計算結(jié)果的正確性。所以進行網(wǎng)格的獨立性驗證時十分必要的。以一個單弓形折流板管殼式換熱器模型為例進行網(wǎng)格獨立性驗證。換熱器是油田化工和其他許多工業(yè)部門廣泛應(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。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;殼程為四面體網(wǎng)格，管程及殼程進出口管為六面體網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為I ,952,621個;由面到體依次畫網(wǎng)格，終網(wǎng)格數(shù)量為2,175,849個。后面兩套網(wǎng)格計算結(jié)果相差小于60%綜合考慮計算精度與計算花費，選取第二套網(wǎng)格:終網(wǎng)格數(shù)量為1,952,621個。