摘要：针对折流杆结构换热器只有在较高壳侧流速时才能达到较高传热效率、布管不紧凑、不能很好抵抗变化工况等缺点，提出以大小两种规格换热管和夹持支撑结构代替传统的折流杆支承元件，达到提高壳侧传热系数，增加换热面积。利用CFD软件建立单元流道，对壳侧流场和传热场进行了三维数值模拟，提出了复杂结构的纵流换热器壳侧速度-温度梯度场矢量夹角的计算方法，得到了壳侧速度场和温度梯度场的场协同角的定量关联式，证实了新结构具有更好的场协同关系。
1.前言
纵流换热器作为一种广泛应用的换热器。由于流体在壳体中呈纵向流，其壳程的压力降比折流板低，综合性能指标比折流板高等优点，该换热器具有良好的发展前景。现有的杆栅支承折流 杆换热器也存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：①只有在高雷诺数时才能获得高效率，在壳程低雷诺数下传热效率较低，有时甚至低于折流板换热器；②纵流壳程换热器的流量波 动较大，尤其是流量突降情况下管内的流量不足，导致传热系数大大降低；③为了方便布置折流杆，一般折流杆换热器都采用正方形或者大间距三角形布管，这种结构会导致换热器管程布管疏松，换热器外径增大，壳程流速降低，不利于提高壳侧传热系数。
本文针对前述换热器的不足，以提高壳侧传热系数，增加换热面积为出发点，提出了新型异径布管夹持结构换热器。
利用单元流道进行了壳侧流场和传热场的三维数值模拟，并应用场协 同原理对壳侧的场协同状况进行了分析。将场协同原理应用到新型夹持结构的性能评价之中，对具有复杂结构的纵流换热器壳程速度-温度梯度场矢量夹角提出了计算方法。
2.基本模型和场协同方法
2.1异径布管夹持结构换热器
强化传热的3种主要途径是：提高传热系数、扩大传热面积和增大传热温差。新型异径布管支 承结构是在增加换热面积的基础上，进一步提高传热系数。夹持式异径换热管纵流壳程换热器.主要特征是：折流栅由折流圈和连接在折流圈上间隔排列的多组扁钢带构成；扁钢带支 撑大、小直径换热管，折流圈上焊有拉杆孔。新支撑通过改变结构，可以达到以下目的：增加 换热面积30％左右；获得良好的流动分布，形成长程纵向涡街，有效减薄管外边界层；壳侧流体呈纵流、局部带有射流的夹持结构形式，改变壳程流场与温度场的协同关系，在压降增加不大的情况下，提高壳程在流体低雷诺数下的传热效率，比一般的纵流壳程换热器提高了20％。
2.2对流换热场协同理论
'场协同'理论是过增元 [5] 提出的一种与传统 强化技术完全不同的方法，即通过改善流体速度 场与温度场的协同程度来强化传热，即'场协同' 理论。
'场协同'理论从层流对流换热的能量方程出发[5] ，将能量方程中的对流项比拟为内热源，对边界层型的流动进行了能量方程的分析；通过将该方程在热边界层内的积分，提出促使换热强化 的3个途径：①提高雷诺数（Re）；②提高普朗特数（Pr），改变流动介质的物理性质；③增加无因次积分值。
3 .计算模型及实验验证
3.1计算模型
由于目前计算机硬件及软件限制，精确模拟换热器整体目前还很困难。王定标等研究使用'单 元流道'的方式建立的计算模型能够较好地解决纵流换热器壳程流动与传热的数值模拟 。夹持式结构具有与传统折流杆换热器相似的周期特点，所以用周期模型来表征充分发展段的流场特性。本文基于周期性单元流道模型，以图1中阴影部分所示作为基本单元横截面，沿流动方向取一个几何周期建立模型。
本文模型选用动量和能量方程的离散格式均为二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLE 算法。由于各变量之间的强烈非线形关系，迭代求解选用亚松弛法。
对单元流道进行周期迭代求解。计算区域取整个单元流道，网格数为5.2×10 5 ，沿流动方向 采用标准网格和非均匀网格分块划分，局部加密 细化。
边界条件：给定周期模型进口质量流率和温度；管壁温度为恒温、不可渗透和无滑移条件。模型计算包括了换热器壳侧流动，Re的变化 范围1 000～15 000，涵盖了常见的壳程流动速度和不同大小管径组合结构。
3.2 实验装置
实验装置为一台异径布管夹持式换热器，内径为147 mm，大管外径为19 mm，小管外径为14 mm，折流栅间距为100～200 mm；壳程工作介质为空气，管程工作介质为过量水蒸汽以保证壁温恒定。
3.3 结果分析
可以看出，计算结果和实验值相差不大，传热最大差异为6.7%；压降相差较多，最大差异为11.8%。出现差异的主要原因分析为实验模型较小，与'单元 流道'的假设条件差异较多。根据实验室积累的工 业数据分析，本实验模型由于尺寸和进出口影响，可能带来的最大压降误差为5.6%，传热误差可以忽略；因此，本实验装置具有较高的实验精度。将数值模拟结果与实验结果进行对比，数值模拟计算有较高的准确性，可以用在异径布管夹持结构壳程传热和流动的预测。