换热设备是化工、炼油、动力、食品、轻工等许多工业部门广泛使用的一种通用设备。在热力系统中,换热设备的投资在企业总投资中占有较大比重,换热设备性能的好坏直接影响了过程工业热经济性的高低。近年来,由于工艺要求、能源危机和环境保护等诸多因素,传热强化技术和换热器的现代设计、研究方法获得了飞速发展。 改进换热器壳侧的结构形式,改善流动状况,提高其传热效果,是当前管壳式换热器壳程强化传热的一个重要方面。为了改善传统管壳式换热器壳侧的不理想流动状态,世界各国都积极致力于研究新型的纵流壳程换热器。纵流壳程换热器是指通过管束支承结构来代替传统的折流板支承结构,使壳程流体主要呈纵流方式流动的一类换热器。其突出特点是:壳程流体纵向冲刷管束,与管程流体实现了完全逆流,因而有效温差大,无传热死区,支承结构对壳程流体扰动强化传热,也有效地防止了流体横向冲刷管束时引起的流体诱导振动。 对纵流壳程换热器的进一步深入研究,是当前的一个重要课题,尤其对换热器壳程中的流体流动与传热过程进行分析与研究有助于开发可靠、高效、经济的换热器结构。传统的换热器研究多采用实验方法来进行,但由于实验方法在某些方面所固有的不足,使得其难以跟得上换热器研究、发展的需要。随着当前计算流体力学、计算传热学及计算机软硬件技术的不断提高,而且数值模拟方法相对于实验方法具有易改变计算条件,使用方便、灵活,可研究复杂初始值条件下的流动现象和流动特性,不需要真实的试验模型及实验场地,研究和开发周期相对较短,费用较低、限制较少,模型重复性好、易于修改,便于得到细观信息和优化设计等优点。采用数值模拟方法对换热器进行分析与研究,以促进换热器的进一步发展已成为当今换热器研究的重要方向之一。 本文采用数值模拟计算方法,利用功能强大的CFD软件——FLUENT对折流杆、大圆孔折流板、小圆孔折流板、梅花孔折流板、矩形孔折流板及空心环支承结构的纵流壳程换热器壳程流体流动和传热进行了三维模拟计算,得到壳程流场和温度分布等细观信息,对壳程流体流动与传热特性进行研究分析,利用ORIGIN、EXCEL等软件对数据进行处理,对各种支承结构进行综合研究分析。本论文的主要工作和创新点如下: (1) 确立了应用FLUENT软件,周期性单元流道为模型进行数值计算的技术