艦船集成式換熱器殼程流場數值模擬

邱金榮，王俊榮，賈 臻

(1. 西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430000)

0 引 言

換熱器是船用動力裝置的重要組成設備，由于管殼式換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊以及密封性能良好等優點，使得其在艦船動力裝置中被廣泛采用[1-2]。同時利用集中冷卻方案可實現動力設備冷卻功能的集成，大大簡化了系統及設備配置，有力提高了艦船二回路系統總體集成優化設計水平。因此艦船集成式換熱器具有較好的應用前景。

由于數值模擬方法具有使用方便、靈活，研究和開發周期短，費效比高等優點，使其成為換熱器設計中的常用手段之一，1972 年Patan-kar 首先利用數值模擬技術實現了換熱器傳熱與流動模擬研究[3]。后續研究者通過不斷更新計算機硬件水平以及發展新的計算理論和方法，有效推進了數值模擬在計算效率、準確性等性能的全面提升[4-5]。

本文借助CFD 分析軟件，構建合理的仿真模型，采用合理的計算方法和邊界條件，完成了某型艦船集成式管殼換熱器（結構示意如圖1 所示）的殼程流場和溫度場數值模擬仿真分析。

2 模型與計算方法

2.1 幾何模型

數值模擬分析對網格劃分要求很高，網格劃分品質越高，數值仿真計算速度和計算結果的收斂性越好。本文在對換熱器結構充分研究基礎上，構建了殼程流場簡化計算模型。集成換熱器模型結構比較規則，因此選用六面體結構化網格進行網格劃分。為消除網格的疏密程度對模型計算結果的影響，根據網格獨立性測算優化結果選擇了最合適的精細化網格劃分方案構建了完整的計算區域網格（如圖2 所示）。

圖 1 兩端組合集成式管殼換熱器結構Fig. 1 Structural of two-section integrated shell-and-tube heat exchanger

圖 2 計算區域網格Fig. 2 Computation grid of heat exchanger

2.2 流場計算控制方程

質量守恒、動量守恒和能量守恒方程是數值模擬方法中常規應用流場計算控制方程，本文數值模擬應用的控制守恒方程如下：

連續方程

動量方程

固體部分（導熱方程）

液體部分（對流方程）

流固耦合部分，耦合邊界上溫度連續

耦合邊界上的第三類邊界條件

2.3 計算方法與邊界條件

為了綜合平衡計算效率與計算精度，本文在數值仿真計算時應用計算方法如下：

1）計算模型，標準層流模型；

2）壓力和速度耦合算法，SIMPLE；

3）連續方程計算收斂條件，變量殘差達到10-3；

4）動量方程計算收斂條件，變量殘差達到10-3；

5）能量方程計算收斂條件，變量殘差達到10-6。

同時，根據集成換熱器結構特征，在模型構建中設定邊界條件如下：

1）固體部分，銅質換熱管；

2）流體部分，穩態不可壓縮的水；

3）固壁面，無滑移靜止壁面；

4）換熱壁面，熱流量恒定第二類邊界；

5）對稱面，對稱邊界。

3 計算結果及分析

為了充分掌握某型艦船集成式管殼換熱器相關性能，本文結合集成換熱器初步設計相關性能參數，構建數值仿真計算模型，完成了殼程流場及溫度場數值仿真計算，給出了對稱面和各橫截面上的熱流場，以全面反映換熱器殼程流動以及傳熱特性。

在圖1 所示的計算區域中，流動方向沿z 軸正方向，以右端面中心為坐標原點，對換熱器的左端和右端，在殼程流動中z 方向上各折流板中間位置分別畫出橫截面，并給出各橫截面上的溫度、壓力和速度分布。

3.1 溫度場數值模擬分析

集成換熱器左端和右端對稱面上的溫度分布如圖3和圖4 所示。由圖3 可見，左端被水平中間擋板分為上下兩半段，殼程流動為二流程，換熱器中殼程介質溫度沿流動方向逐步降低，在出口附近溫度約35 ℃。由圖4 可見，在設計工況下，換熱器中右端殼程介質溫度沿流動方向逐步降低，在出口附近溫度約35 ℃。

左端Z 方向各典型橫截面上的溫度分布如圖5 所示。最后一個典型橫截面由于處于尾部均勻流動區，因此該截面上溫度分布均勻。由于殼程設計為雙流程，在其他橫截面上存在2 個溫度均勻區，即具有較高溫度、離入口較近的下半段和溫度較低、離出口較近的上半段。

右端Z 方向各典型橫截面上的溫度分布如圖6 所示，選取的橫截面位置是相鄰折流板中間位置。由圖6可見，溫度在各橫截面上的分布比較均勻。由于右端殼程流體是從右端流入、右端流出，所以沿著流動方向，即隨著Z 坐標的減少，溫度逐漸降低。

圖 3 左端對稱面上的溫度分布Fig. 3 Distribution of the temperature of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 4 右端對稱面上的溫度分布Fig. 4 Distribution of the temperature of the fluid at the symmetry plane of the right part

圖 5 左端Z 方向橫截面上的溫度分布Fig. 5 Distribution of the temperature of the fluid at the Z cross-section of the left part

3.2 壓力場數值模擬分析

集成換熱器左端和右端對稱面上的壓力分布如圖7和圖8 所示。可知，殼程介質壓力沿流動方向逐步降低，壓力的降低具有一定的周期性規律，這一規律與折流板排布的幾何周期性相一致。

左端Z 方向各典型橫截面上的壓力分布如圖9 所示。右端Z 方向各典型橫截面上的壓力分布如圖10 所示。可知，各橫截面上壓力分布沿流動方向逐漸降低。這一規律與圖7 和圖8 反映的現象相互吻合，折流板是換熱器流動阻力的主要來源，其對換熱器殼程內部流場阻礙作用顯著。

圖 6 右端Z 方向橫截面上的溫度分布Fig. 6 Distribution of the temperature of the fluid at the Z cross-section of the right part

圖 7 左端對稱面上的壓力分布Fig. 7 Distribution of the pressure of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 8 右端對稱面上的壓力分布Fig. 8 Distribution of the pressure of the fluid at the symmetry plane of the right part

圖 9 左端Z 方向橫截面上的壓力分布Fig. 9 Distribution of the pressure of the fluid at the Z cross-section of the left part

3.3 速度矢量數值模擬分析

集成換熱器左端和右端對稱面上的速度矢量圖如圖11 和圖12 所示。可知，折流板對流體的軸向流動阻礙作用顯著，折流板處流體流速存在陡變現象，特別是在折流板圓缺處流體流速顯著提升。流動方向各橫截面上的速度分布規律基本相同，故圖13 和圖14給出了典型橫截面上的速度分布，截面取自中間兩塊折流板之間，在折流板圓缺處流體流速顯著提升。流場分布比較均勻，但在折流板與換熱器殼體相切的區域形成了顯著的周向對稱環流，在換熱管四周存在小范圍的局部環流，但滯流效應不顯著，不存在顯著的滯流區。

圖 10 右端Z 方向橫截面上的壓力分布Fig. 10 Distribution of the pressure of the fluid at the Z cross-section of the right part

圖 11 左端對稱面上的速度矢量圖Fig. 11 Velocity vector of the fluid at the symmetry plane of the left part

圖 12 右端對稱面上的速度矢量圖Fig. 12 Velocity vector of the fluid at the symmetry plane of the right part

4 結 語

本文借助CFD 軟件，在對某型集成式換熱器合理簡化基礎上，構建了相應的數值分析耦合傳熱模型，全面模擬了換熱器殼程流場和溫度場，仿真分析的主要結論如下：

1）換熱器設計比較合理，流動區域中換熱比較均勻，折流板的使用對于換熱有強化作用。

圖 13 左端Z 方向典型橫截面速度矢量圖Fig. 13 Velocity vector of the fluid at the typical Z cross-section of the left part

圖 14 右端Z 方向典型橫截面速度矢量圖Fig. 14 Velocity vector of the fluid at the typical Z cross-section of the right part

2）殼程流體溫度與壓力沿流動方向逐漸降低，這一規律與折流板排布相一致。

3）流動阻力的主要來源來自于折流板，流體的軸向流動受到折流板的阻擋作用顯著。

4）在流通截面突變對流動的攪渾作用顯著，形成高速流動區和回流滯流區，速度分布也具有周期性規律。速度分布也具有周期性規律。

本文研究全面反映了換熱器內部流體流動與傳熱細節信息，可有效發現設計薄弱環節，為換熱器性能的進一步提升奠定了良好的技術基礎。