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管壳式换热器流场数值模拟方法研究
摘要
管壳式换热器是一种常见的传热设备，其内部流场特征直接影响其换热效率。本文综述了管壳式换热器流场数值模拟方法的研究现状，并重点探讨了方法的优缺点及应用领域。基于对现有文献的梳理和归纳，本文总结了几种常用的数值模拟方法，并结合实际工程应用，详细分析了各种方法的优缺点和适用范围。结果表明，对于较复杂的流场，CFD方法具有优越的预测能力，但对于纵向流动明显的轴对称流场，直线化技巧和求解几何解析解的方法更为适用。本文旨在全面分析各种数值计算方法，为工程师提供科学合理的数值模拟手段，以促进管壳式换热器的性能优化和工程实际应用。
Abstract
Theflowfieldinsideashell-and-tubeheatexchangerdirectlyaffectsitsheattransferefficiency.Inthispaper,theresearchstatusofnumericalsimulationmethodsforflowfieldsinshell-and-tubeheatexchangersissummarized,andtheadvantages,disadvantages,andapplicationfieldsofthesemethodsarediscussedindetail.Basedonthereviewandsummaryofexistingliterature,severalcommonlyusednumericalsimulationmethodsaresummarized,andtheadvantages,disadvantages,andapplicationrangesofeachmethodareanalyzedindetailcombinedwithpracticalengineeringapplications.Theresultsshowthatforcomplexflowfields,theCFDmethodhassuperiorpredictiveability,butforaxisymmetricflowfieldswithpronouncedlongitudinalflow,methodssuchaslinearizationandanalyticalsolutionofthegeometryaremoresuitable.Thispaperaimstocomprehensivelyanalyzevariousnumericalcalculationmethods,providingengineerswithscientificandrationalnumericalsimulationmethodstooptimizetheperformanceofshell-and-tubeheatexchangersandpromotepracticalengineeringapplications.
1.引言
传热器是热工装置中最重要的传热设备之一，广泛应用于化工、冶金、能源等多个领域。管壳式换热器作为一种常见的传热设备，由于其结构简单、换热效率高而备受关注。在管壳式换热器的设计和制造过程中，准确预测内部流场的分布对于提高其换热效率具有重要意义。
目前，流场数值模拟方法已成为研究管壳式换热器内部流场的重要手段。随着数值计算方法的不断发展，越来越多的研究采用流体力学计算方法对管壳式换热器内部流场进行数值模拟。本文旨在综述管壳式换热器流场数值模拟方法的研究现状，并分析各种方法的优缺点及其应用领域，为工程师提供科学合理的数值模拟手段以促进其实际应用。
2.数值模拟方法概述
目前，管壳式换热器内部流场数值模拟方法可以分为直线化技巧、求解几何解析解以及CFD方法等多种。下面将分别进行介绍和分析。
2.1直线化技巧
直线化技巧模拟方法采用轴对称条件，将曲线几何直线化，从而简化问题。由于旋转对称性条件，可以将复杂的几何体转化为二维平面问题。然后，利用二维有限差分、有限元等数值在线性化模型的基础上求解非定常流动问题。
该方法优点是计算速度快，可以处理大量较为简单的轴对称流场，如纵向流场明显的管壳式换热器。同时，对计算机硬件要求不高。
缺点是，该方法依赖于流场的轴对称性，只适用于沿着轴线对称的流动，对非轴对称性的问题不适用，如在密封容器中的流动。此外，直线化技巧对于流场变化较大时的效果不佳，如在壳侧设计比较复杂的管壳式换热器下部。
2.2求解几何解析解
该方法通过对发生在内部流体流动中的物理现象进行分析，抽象出物理模型。将物理模型进行数学化处理，得到解析解，在此过程中体现出近似处理的思想。
该方法的优点是解析解在一定情况下具有一定的代表性，如在轴对称流场中解析解经