35°螺旋折流板换热器壳程的数值模拟
摘要 选用合适的湍流模式对35°螺旋折流板换热器壳程进行了数值模拟，并考虑了模拟过程中的网格的生成，边界条件，差分格式等的处理方式。模拟的结果发现，其内部的流场非常复杂，有强的漩涡，壳程中的流体相互混合，冲刷管子，起到强化传热的效果。
关键词： 螺旋式折流板；换热器；流场；湍流 ；数值模拟
1．引言
换热器是冷热两种流体通过固体壁进行热交换的设备，随着工业的发展，其应用日益广泛，并占了每个行业的很重要一部分。工业上采用的换热器类型很多，比较常用的是弓形折流板换热器。这种换热器起步较早，适应性很强。它的结构简单，造价低廉，清洗方便。不过这种换热器也有个很大的缺点，在换热的时候壳程中的“Z”字型的流动就会产生比较大的死区，这个死区的存在会降低换热效率，产生污垢。
目前的换热器的基本发展趋势：提高换热效率，提高紧凑性，降低材料的消耗，增强承受高温高压耐腐蚀的能力。
螺旋折流板换热器是近年来为了克服弓形折流板的缺陷而发展起来的的一种新型的换热器，这种换热器的设计思想一般是将一个螺旋的折流板一般分成4 块,首尾相接,并与管束布置成一定的倾斜角度,形成螺旋流道。按流道多少可分为单或双螺旋折流板。但也可以根据实际的不同情况有不同的设计。有时为了使得壳程的通道更加呈现螺旋形，每个螺旋的折流板会分成6 块之多，不过这样的折流板的加工可能要麻烦一些。在试验中，人们发现这种换热器的换热效果非常的理想：可以消除弓形折流板的折混现象；传热系数也有较大的提高；壳程压降也减小。
从目前的文献中可以了解，螺旋折流板换热器的内部流体的具体的流动形态是怎么样的，依然没有一个清晰的概念。只有弄清楚它的内部流动形态，才能了解它的内部机理，知道有这么多优点的原因，并为它的进一步改造提供一定的理论基础。不过，要做到这一点，如果通过实验的方法，却非常困难，因为这要布置很多的传感器来测量流体流动的方向、速度等，但传感器的布置却是一个难题。而且如果布置太少，就无法得到满意的结果，过多就会影响流体的流动，无法测得真实的流动状态。比较令人满意的方式是通过数值模拟的方法来模拟它内部的流场。
2．数学模型
换热器内部流场是一个紊流中有大量小涡旋的复杂流场，从大的方面来看是一个螺旋式流动，不过目前对于螺旋流并没有建立一个比较好的数学模型。在紊流和螺旋流的相互作用中，流线弯曲、流动斜交、局部的回流涡旋等都影响较大，更为复杂的是他们的综合作用不等同于他们单个作用的的叠加。作为螺旋流，它是各向异性的，本文采用雷诺应力（RSM）紊流模型。
3．网格生成
对于空间结构不是很复杂的物体，基本上只要给出网格尺寸，软件FLUEN 中的软件包GAMBIT 具有自动生成网格的功能。但是本文中讨论的模型却非常复杂：三维，而且管子和折流板相互之间有交错搭接，而且没有什么对称性，无法简化。如何划网格可以说是整个模拟过程中最为困难的问题，在生成网格的时候要考虑各部分之间的耦合问题，GAMBIT 的自动功能无法完成，因此需要将模型稍微处理一下。这里，为了简化，我们只计算两个螺距的模型。先在用一个面将模型纵向切为两半，再用螺旋面切割。然后在各个面上画上网格，然后对整个模型用TGrid 生成四面体和金字塔网格。不过，用这种方式生成的网格密度变化很大，而且网格的数目也比较多，计算时比较费机时。
4．边界条件
计算状态为额定的状态，模型采用水－水来相互换热。冷水的入口流速恒定为：
5．差分格式
对流的差分格式有很多种，找出一个既稳定又有足够准确性的离散格式却相当关键。QUICK 是用差分法求解换热和流动问题的一种格式，这种方案采用对流项的二次迎风差值，具有较高的数值精度，而且有守恒的特性。在一些文献中，可以看到，对于强制流动问题，QUICK 格式用较粗的网格就能得到其他差分方案用较细网格才能得到的结果，本文就采用这种格式。
6．结果分析
从模拟出来的结果看，换热器内部的流动非常的复杂，在y 方向上取某一个截面
(y=
从上面的图2，3 可以见到，流体在其中呈现强烈的湍流，在管与壳体距离比较大的地方，产生了很强的湍流，在左上方还存在一个很强的漩涡，可能这种强的流动方式，破坏了壳程的边界层的生成，增强了换热效果。产生的漩涡不仅仅是在这个平面上，而且前后流动，产生较强的冲刷作用。螺旋式流动的流体斜向冲刷管束,在倾斜和旋转的双重作用下,使管子的速度边界层变得很薄, 从而大大的增大换热系数。
图4 是一个换热管与壳体之间一个通道的速度等值线示意图，从中可以看到，在空间大一些的地方螺旋流会产生二次流动，这种的强烈冲刷作用既可增强换热又有使壳程不易结垢的独特优势。
图4 管间速度
7．结论
螺旋折流板的壳程流动形态比较复杂，通过比较采用雷诺应力（RSM）紊流模型进行数值模拟，求解中的差分QUICK 格式由于用二次迎风插值。从结果上来看，这种换热器的内部流场中存在很多的漩涡。螺旋式的流动存在二次流，这种流动和其中的漩涡破坏了边界层的生成，并使流体在横向和纵向上相互冲刷混合，起到强化的换热效果。
8．存在的问题
在网格的生成上，没有在管子的周围的生成致密网格，使得模拟出来的结果无法详细显示管子周围的速度场；由于空间的结构复杂，无法对整个换热器进行模拟。
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