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基于FLUENT的管壳式换热器流场的数值模拟与分析鲍苏洋（南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要:通过简化管壳式换热器模型，采用非结构网格划分，选用κ-ε湍流模型，应用CFD 软件FLUENT 对壳程流体流动和传热过程进行了数值模拟，得到了不同折流板间距情况下壳程流体温度场、压力场以及速度场的分布情况。
分析了折流板间距对壳程流体流场分布、换热器传热速率以及压力损失的影响，并得出了进口流速与传热量和压力损失之间的关系。
模拟结果与理论研究结果相符合，对管壳式换热器的设计和改进有一定的参考价值。
关键词:化工机械; 换热器; 数值模拟; 温度场; 速度场; 压力场Numerical Simulation and Analysis of Flow Field in Shell-and-Tube Heat Exchanger Based on FLUENTSuyang BAO( School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)Abstract: By simplified the model of shell-and-tube heat exchangers，adopted the unstructured mesh，chose the κ-εturbulence model to gain the static temperature field，velocity field and static pressure field distribution of shell by taking numerical simulation of the shell side turbulent flow and heat transfer process with the CFD software FLUENT at different baffle spacing．Analyzed the effect of baffle spacing on the distribution of shell fluid flow，heat transfer rate and pressure drop，also acquired the relationship between inlet velocity and heat transfer rate，pressure drop．The simulation results consistent with the theoretical results of shell-and-tube heat exchangers，which can be a reference for the design and improvement of shell-and-tube heat exchangers．Key words: chemical machinery; heat exchanger; numerical simulation; temperature field; velocity field; pressure field0 引言换热器是石油化工行业广泛应用的工艺设备，换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足生产工艺的需要，同时也是余热回收利用的有效设备［1］。
基于FLUENT分析的管壳式换热器筒体腐蚀预测梁海明【摘要】换热器筒体腐蚀的影响因素众多,流体流速、温度、操作压力和介质成分等流体力学参数是影响换热器内腐蚀的关键因素。
现有的腐蚀检测方法难以全面考虑流体流速和温度等流体力学参数的影响,检测精度降低,对于缺陷的探测、描述、定位及确定缺陷大小的可靠性较差。
本文采用基于计算流体力学的数值模拟原理,利用有限体积法、RNG模型和壁面函数法,利用FLUENT软件对浮头管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了三维数值模拟,计算了管壳式换热器壳程的速度场、温度场和压力场,并在此基础上分析筒体的冲蚀规律。
%There are many factors affecting the corrosion of cylindrical shell of heat exchangers.The dynamic parameters such as fluid velocity,temperature,operating pressure are the most important factors.With the existing corrosion testing methods,it is difficult to fully consider the impact of fluid dynamic factors i.e.fluid velocity and temperature,etc.The testing accuracy is low.The reliabilities of defect detection,description,positioning and defect size determination are not stable and accurate.The flow and heat transfer of fluid in the shell side of floating-head shell-tube heat exchangers are simulated by 3-D numerical model with FLUENT saftware based upon fluid dynamics,limit volume method,RNG model and wall function method.The velocity field,temperature field and pressure field of shell-tube heat exchangers are calculated,and erosion corrosion is studied.【期刊名称】《石油化工腐蚀与防护》【年(卷),期】2012(029)003【总页数】6页(P46-51)【关键词】管壳式换热器;FLUENT;温度场;速度场;腐蚀【作者】梁海明【作者单位】中国石油化工股份有限公司茂名分公司,广东省茂名市525000【正文语种】中文【中图分类】TE986随着原油劣质化增加，设备腐蚀速率加剧。
基于ANSYS的换热器管板应力分析及其优化设计发布时间：2021-06-18T02:32:55.905Z 来源：《中国科技人才》2021年第9期作者：王宜亮[导读] 为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；江苏自动化研究所江苏连云港 222061摘要：为研究换热器管板受力复杂的问题，基于ANSYS Workbench软件，以管板应力受管壳程温度载荷、压力载荷和管板厚度的影响为研究对象，研究了其应力分布情况，得出管板在换热器壳程先停工况时最危险；同时对此工况下各参数进行关联性分析和对管板进行优化分析。
结果表明：温度载荷对管板应力分布的影响程度最大，其次是管板厚度，压力载荷影响最小；管板可由原有的35mm厚度优化43%，在管板厚度降低至20mm后，仍满足安全要求，达到安全与经济兼顾。
关键词：管壳式换热器；管板；关联性分析；优化分析Stress analysis and optimization design of heat exchanger tube-sheet based on ANSYSWANG Yiliang( Jiangsu AutomationResearchInstitute, Lianyungang222061)Abstract: In order to study the complex stress on the tube-sheet of heat exchanger, the stress distribution of the tube-sheet was studied by using ANSYS Workbench and taking the influence of temperature load, pressure load and thickness of tube-sheet as the research object. It is concluded that tube-sheet is the most dangerous when the shell side of heat exchanger stops first. At the same time, the correlation analysis of the parameters and the optimization analysis of the tube-sheet are carried out. The results show that: the temperature load has the greatest influence on the stress distribution of the tube-sheet, followed by the thickness of the tube-sheet, and the pressure load has the least influence; the tube-sheet thickness can be optimized by 43% from the original 35mm thickness, and the safety requirements can still be met after the tube-sheet thickness is reduced to 20mm, which can achieve both safety and economy.Key words: Shell-and-tube heat exchanger; Tube-sheet; Relevance analysis; Optimization analysis0前言管壳式换热器管板的设计与优化是为了使换热器在实际运行中更加安全，能有效提高能源的利用率。
基于ANSYS的固定管板换热器有限元分析杨连红;王强;尹权【摘要】建立了固定管板式换热器的有限元分析模型，按标准方法计算六种工况下管板应力、壳程筒体的轴向应力以及换热管的轴向应力。
同时采用JB4732-1995的方法对管板与筒体的应力进行评定，采用GB/T151-2014的方法对换热管的轴向应力、拉脱力进行评定。
结果表明，管板及换热管满足结构的强度要求。
【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)005【总页数】6页(P5-10)【关键词】固定管板换热器;轴向应力;拉脱力;热应力;有限元法【作者】杨连红;王强;尹权【作者单位】中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001;中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001;中航黎明锦西化工机械集团有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001【正文语种】中文固定管板换热器为石油化工装置中的典型设备之一，聚合物脱挥系统由上游换热器、一级脱挥罐、下游换热器以及二级脱挥罐组成，本文涉及的换热器是聚合物脱挥系统中的下游换热器，它起到对脱挥聚合物的加热挥发和分布器的作用。
换热器管程内介质为聚合物，其黏度很高，因此在换热管内加入螺旋内插件，是为了大幅度提高换热效果，但聚合物在换热器管内向下流动的压降很大，因此换热器内管需要高的压降。
物料在换热器出口流出直接降到下部二级脱挥罐内，挥发成分被真空泵抽出。
聚合物从二级脱挥罐底部出料，进入后续混合和造粒工段。
为了提高脱挥效果，物料在该换热器内需要60 s或更长的停留时间；设备公称直径为DN1400 mm，经工艺计算确定换热管为φ34×3 mm，管间距为48 mm，长度为2000 mm，需要换热管683根。
固定管板换热器结构简图如图1所示。
1.1 换热器设计参数如表1。
2.2 换热器材料参数如表2。
2.3 热分析材料特性参数如表3。
2.1 换热器模型的建立换热器设计时所有的开孔首先应满足GB150.1～150.4-2011《压力容器》［1］的相关规定。
用ANSYS和FLUENT进行管壳式换热器整体分析利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难。
而对换热器的结构性能进行准确分析一般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热器的流体流动与传热和结构性能分析就更加困难。
般利用已知的平均温度或利用已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算，因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。
目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用FLUENT 和ANSYS 软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首先从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT 软件进行换热器流体流动与传热的工艺状况数值模拟。
然后把FLUENT 软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成温度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。
从而实现了管壳式换热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件下换热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算与结构分析计算完整地结合在一起，计算精度更高。
1 CFD数值模拟本文研究的换热器结构示意如图1所示，在对实际结构进行合理简化的基础上，以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型，采用分段模拟、整体综合的方法，利用FLUENT软件对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行数值模拟[8] ，得到计算流道上有关各个构件的壁温场分布。
图1 换热器结构示意图CFD模型正常工作状态下换热器的管程介质为饱和水蒸汽，蒸汽温度为110℃。
有限元法——原理、建模即应用实验报告问题描述： (3)第一部分换热管节点温度分布 (4)一、启动以及初始化设置 (4)二、定义单元类型及材料属性 (5)三、建立几何模型 (7)四、生成有限元模型 (12)五、加载以及求解温度分布 (18)六、查看温度分布的结果（后处理） (20)第二部分换热管节点应力分布 (22)一、改变分析类型 (22)二、转换单元类型，设置材料属性 (23)三、施加结构分析载荷及求解 (24)四、查看计算结果 (28)五、结果分析 (31)稳态传热条件下换热管的热分析——壳程与管程温差对换热管热应力的影响机械电子工程方瑛 201121080235 问题描述：本文利用ANSYS 12.0 软件对稳态传热条件下换热管的热应力进行分析，，某单程换热器的其中一根换热管和与其相连的两端管板结构，壳程介质为水蒸气，管程介质为液体操作介质，换热管材料为不锈钢，膨胀系数为，泊松比为，弹性模量为，热导率为；管板材料也为不锈钢，膨胀系数为，泊松比为，弹性模量为，热导率为；用ANSYS软件模拟当壳程压力为，管程压力为；管程液体温度恒为，管程表面传热系数恒为的条件下，壳程水蒸气温度从以为梯度递增到的过程中，换热管热应力的变化情况，进而分析壳程与管程温差变化对换热管热应力的影响规律。
表一为利用热力学的相关知识计算得出的壳程水蒸气温度变化时对应的壳程表面传热系数的数值。
表一：壳程温度及对应的表面传热系数换热管内径为，外径为，管板厚度为，换热管长度为，管板长和宽均为，其结构如图1所示。
图1 换热管的结构由上述结构分析可知，由于其结构、约束以及载荷都具有对称性，因而只需要取其四分之一进行分析。
第一部分换热管节点温度分布一、启动以及初始化设置1、建立一个文件夹：在电脑合适地方建立一个文件夹用来存储ANSYS文件，取名为“方瑛ANSYS大作业”。
2、启动ANSYS：Start Programs ANSYS13.0MechanicalAPDL(ANSYS)3、定义工作文件名：执行Utility Menu File Change Jobname命令，弹出Change Jobname对话框，如图2所示。
基于Solidworks和Fluent的管壳式换热器换热管腐蚀现象广泛存在于化工机械中。
本文通过硬度测试试验分析管壳式换热器腐蚀与换热管硬度间的关系，证明引起换热管腐蚀的主要原因不是流体介质腐蚀，而是自身结构设计的不合理。
为了对换热管进行结构优化设计，运用流体软件CosmosFloworks和Fluent对换热器进行建模与仿真，研究换热器自身结构对腐蚀现象的影响。
最后，在试验与仿真的基础上提出了换热器结构优化方案。
换热器是化工、石油、动力、冶金、船舶、交通、食品和机械等工业部门广泛使用的一种通用设备，换热器对整个企业的投资和发展有着重要影响，据统计在化工生产设备中，换热器约占总投资的30%~40%。
换热器换热状况的好坏直接影响到整个装置的平稳运行及综合经济指标，并且对生产的安全、稳定和长期运行起着重要作用。
长期以来，管壳式换热器以其结构坚固、可靠性高、适应性强和选材广等优点在换热器的生产和使用数量上一直占主导地位。
由于其结构的复杂性和使用工况的多样性，常常出现换热器的局部失效甚至整体报废，进而影响到了换热器的工作效率和正常的工艺性能。
管壳式换热器使用一段时间后会发生泄漏失效，漏点通常出现在列管与管板连接处，并且伴有腐蚀现象。
通过焊接的方法对换热器漏点进行堵塞只能暂时性解决问题，过一段时间后又会出现腐蚀失效现象，因而找出换热器失效机理已经成为迫切的课题之一。
本文首先通过硬度测试试验分析管壳式换热器腐蚀与换热管硬度间的关系。
然后运用Solidworks和Fluent软件对换热管腐蚀与换热管内壁的粗糙度，换热管的流速和换热器自身结构之间的关系进行研究，并在此基础上提出了结构优化方案。
本文不是单纯的从流体介质的腐蚀性、电化学反应、应力腐蚀、缝隙腐蚀或一系列事后补救措施来解决换热器的腐蚀问题，而是从根本上提出了预防换热管腐蚀的方法。
本文中运用了计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)，对流态进行数值仿真模拟计算。
ANSYS Fluent 在热分析中的使用介绍ANSYS Fluent 在热分析中的用法介绍湃睿科技1. 基本概念：热能的传递有三种基本的方式：热传导，热对流，热辐射1.1 热传导物体各部分之间不发生相对位移时，依赖分子、原子及自由等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导。
导热的基本定率被总结为傅立叶定率：其中，Φ为热流量，单位为 W，λ为导热系数，单位为W/(m·K），Α为面积，Τ为温度。
普通而言，气体的导热系数值约在0.006~0.6 之间，其值随着温度的上升而增大。
液体的导热系数约在0.07~0.7 之间，除了水和某些水溶液及甘油外，绝大多数液体的导热系数会随着温度的上升而减小。
1.2 热对流因为流体的宏观运动而引起民的流体各部分之间发生相对位移，冷热流体互相掺混所导致的热量传递过程称为热对流。
需要解释的是热对流只能发生在流体当中，而且因为流体中的分子同时在举行着不规章的热运动，因而热对流必定陪同着热传导。
工程中感爱好的是流体流对一个物体表面时流体与物体表面之间的热量传递过程，我们称之为对流传热，以区分于普通意义上的热对流。
事实上，我们平常所说的热对流也指这种状况。
按照引起流淌的缘由来划分，对流传热可以区别为自然对流和强制对流两大类。
对流传热的基本计算公式为牛顿冷却公式：其中，为表面传热系数，也被称为对流换热系数，单位为 W/(㎡·K）。
1.3 热辐射物体因为热的缘由而发出辐射能的现象我们称之为热辐射。
理论上讲，只要物体的温度高于肯定零度（0 K），物体就会不断的把热能变为辐射能，向外发出热辐射。
热辐射的基本计算公式为斯忒藩-玻耳兹曼定律，又称为四次方定律：其中，为物体的放射率，也称为黑度，其值总小于1，为斯忒藩-玻耳兹曼常量，它是个自然常数，其值为5.67e-08W/(㎡·K4）， T为热力学温度，单位 K。
以上为三种基本传热方式的介绍，在实际问题中，这些方式往往不是单独浮现的，很可能是多种传热方式的组合形式。
基于FLUENT的管壳式换热器壳程流场数值模拟研究付磊;付丽娅;唐克伦;文华斌;李良【期刊名称】《四川理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(025)003【摘要】利用ANSYS参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型，在ANSYSFLUENT中对管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了数值模拟计算，得到换热器壳程流体温度场、速度场和压力场；分析了折流板间距及弦高对换热效率和壳程流体压降的影响，对于设计传热效率高、流体阻力小的换热器进行了有益探索。
%A parametric model on the shell and tube heat exchanger is established by using ANSYS parametric modeling method. The numerical simulation on the shell-side fluid flow and heat transfer of shell and tube heat exchanger is performed on ANSYS FLUENT, and Shell-side fluid temperature field, velocity field and pressure field are acquired;and the effects of the baffle plate spacing and string height of heat exchanger to the heat transfer efficiency and shell side fluid pressure drop is analyzed. It is a beneficial exploration to the design to high heat transfer efficiency and low fluid resistance of the heat exchanger.【总页数】5页(P17-21)【作者】付磊;付丽娅;唐克伦;文华斌;李良【作者单位】四川理工学院机械工程学院,四川自贡643003;贵州华阳宏达电器有限公司,贵阳550009;四川理工学院机械工程学院,四川自贡643003;四川理工学院机械工程学院,四川自贡643003;四川理工学院机械工程学院,四川自贡643003【正文语种】中文【中图分类】O35【相关文献】1.基于FLUENT的管壳换热器壳程流场数值模拟与分析 [J], 刘磊;宋天民;管建军2.基于三维实体模型的管壳式换热器壳程流场和温度场数值研究 [J], 古新;董其伍;王珂3.基于FLUENT的管壳式换热器数值模拟研究 [J], 潘胜;史金鑫4.基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟 [J], 栾艳春;陈义胜;庞赟佶5.FLUENT软件模拟管壳式换热器壳程三维流场 [J], 刘利平;黄万年因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
FL UENT 软件模拟管壳式换热器壳程三维流场刘利平 3黄万年(郑州大学化工学院摘要 -, , T 软件进行了三维数、温度场和压力场 , , 。
管壳式换热器数值模拟 FLU EN T 多孔介质分布阻力模型0前言数值模拟是换热器研究的一种重要手段。
应用计算流体力学模拟管壳式换热器无相变壳程流场 , 由 Patankar 与 Spalding 在 1974年最早提出 [1]。
但由于受到当时计算机与计算流体力学的条件限制 , 研究进展缓慢。
20世纪 80年代 , 由于核电厂换热设备的大型化、高参数化发展 , 促进了换热器数值模拟研究的开展 [2, 3]。
关于国内外的换热器数值模拟研究 , 采用二维研究的较多 , 而在三维研究方面 , 又通常采用自己编程的方法 [4, 5]。
利用 FLU EN T 软件 , 模拟管壳式换热器壳程三维流场 , 本文进行了有益的探索。
FLU EN T 是世界领先、应用广泛的 CFD 软件 , 用于计算流体流动和传热问题。
FLU 2 EN T 软件是基于 CFD 软件群的思想 , 从用户需求的角度出发 , 针对各种复杂流动的物理现象 , 采用不同的离散格式和数值方法 , 使得特定领域内的计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合 , 从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。
1模拟模型111计算模型管壳式换热器壳程流场数值计算 , 采用了多孔介质与分布阻力模型。
由于换热器壳程结构复杂以及流动形态多样化 , 使得影响流体流动和传热的因素多 , 相对于管程而言 , 壳程流体的数值模拟复杂 , 特别是具有复杂折流板结构的情况 , 更为如此。
对于普通折流板换热器 , 壳程流体时而垂直于管束 , 时而平行于管束 ,还有一部分流体从折流板与管子之间的间隙中泄漏 , 同时管内流体与管外流体的热交换耦合在一起 , 因此进行管壳式换热器壳程流场的数值模拟 , 需要采用多孔介质与分布阻力模型来简化计算。
基于Fluent的管壳式换热器壳程流体流动与传热数值模拟栾艳春;陈义胜;庞赟佶【摘要】The parameterized model of tube and shell heat exchanger is established according to the Fluent software parametric modeling method. The numerical simulation and calculation of fluid flow and heat transfer in the shell side of tube and shell heat exchanger is calculated so that the temperature fields and stress fields of the shell side fluid under the condition of different baffle plate gap heights and inlet flows are received. The results show that the optimal gap height of the heat exchanger appears on the performance curve under the gap height between 0.2D to 0.4D, based on which the improvement approach on the structure of the heat exchanger is given.%采用Fluent参数化建模方法建立了管壳式换热器的参数化模型. 利用Fluent软件,对管壳式换热器壳程流体的流动与传热进行了数值模拟计算, 得到了不同折流板缺口高度及入口流量情况下换热器壳程流体的温度场和压力场, 给出了缺口高度在0.2D~0.4D变化时换热器的性能曲线, 得到了最优缺口高度, 并对换热器的结构优化提出了改进措施.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2015(036)005【总页数】5页(P9-13)【关键词】管壳式换热器;折流板;壳程;流体;数值模拟;传热性能【作者】栾艳春;陈义胜;庞赟佶【作者单位】内蒙古科技大学能源与环境学院;内蒙古科技大学分析测试中心;内蒙古科技大学能源与环境学院;大连理工大学能源与动力学院【正文语种】中文【中图分类】TQ051.50 引言换热器是能源、石油、化工等行业广泛应用的工艺设备，它不仅可用于调节介质的温度，满足实际生产的需要，同时也可用于余热回收领域。
第1章绪论 (2)1.1换热器的分类 (2)1.2 换热器研究与发展 (3)1.2.1换热器发展历史 (3)1.2.2 换热器研究及发展动向 (3)1.2.3 国外新型换热器技术走向 (4)第2章管壳式换热器 (9)2.1 管壳式换热器结构 (9)2.2 管壳式换热器类型 (9)2.3 换热器的安装、使用及维护 (10)2.3.1换热器的安装 (10)2.3.2 换热器的清洗 (10)2.3.3换热器的维护和检修 (12)2.3.4换热器的防腐 (13)2.4 换热器的强化 (14)2.4.1管程的传热强化 (14)2.4.2 壳程的传热强化 (16)第3章流体传热的研究方法 (17)3.1 传热学的常用研究方法 (17)3.2数值模拟的求解过程 (17)第4章基于Fluent的管壳式换热器的数值计算 (20)4.1 Fluent简介 (20)4.2 基于Fluent的三角形排列的换热器流畅模拟 (21)结论 (31)第1章绪论换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定的指标的热量交换设备，又称热交换器，广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工业等行业。
随着节能技术的飞速发展，换热器的种类越来越多。
1.1换热器的分类换热器作为传热设备随处可见，在工业中应用非常普遍，特别是耗能量十分大的领域。
随着节能技术的飞速发展，换热器的种类开发越来越多。
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器结构和形式亦不相同，换热器种类随新型，高效换热器的开发不断更新，具体分类如下。
(1)冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类：间壁式、混合式和蓄热式。
间壁式换热器是温度不同的两种流体在被壁面分开的空间里流动，通过壁面的导热和流体在壁表面对流进行换热。
间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。
管式换热器以管子表面作为传热面，包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器等；板面式换热器以板面作为传热面，包括板式换热器、螺旋板换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板换热器等；其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器，如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。
一、问题描述：三通管是热水器中必不可少的元件，它是冷水与热水的会和之处，也是出水口所在的地方。
冷水与热水分别自三通管的两侧沿水平切向流入，在三通阀内混合后通过出口流出，最后流入大气。
二、利用Gambit建立计算区域和指定边界条件类型步骤1：启动gambit并选定求解器为fluent5/6。
步骤2：创建三通管转弯处管道（1）绘制圆环体（2）将多余部分切除（3）将转弯处管道移动到指定位置（4）使用对称功能绘制另一转弯处管道步骤3：绘制出口管道步骤4：绘制其他管道步骤5：将以上管道合并为整体步骤6：网格划分步骤7：设置边界类型步骤8：输出mesh文件三、利用Fluent求解器求解步骤1：启动fluent并选择求解器3D，读取mesh文件步骤2：检查网格并定义长度单位（1）确定单位长度为cm（2）检查网格（3）显示网格步骤2：创建计算模型（1）设置求解器（2）启动能量方程（3）选择湍流模型步骤3：设置流体的材料属性（1）操作环境的指定（2）定义材料步骤4：设置边界条件（1）设置fluid流体区域的边界条件（2）设置cool-inlet、hot-inlet和pressure-outlet的边界条件步骤5：求解方法的设置及其控制（1）求解参数的设置（2）初始化（3）打开残差图（4）开始迭代步骤5：创建等坐标平面（1）创建一个z=0cm的平面，命名为surf步骤6：绘制速度矢量图（1）绘制出口速度矢量图（2）绘制水平面速度矢量图步骤7：绘制温度与压强分布图（1）绘制水平面温度分布图（2）绘制壁面上的温度分布图（3）绘制壁面上的压力分布图。
用ANSYS和FLUENT进行管壳式换热器整体分析作者：郭崇志林长青利用数值模拟计算软件进行管壳式换热器的流体力学和传热性能计算及评估已经成为开发和研究管壳式换热器的重要手段之一，由于结构和流道复杂，导致准确地进行换热器的流体力学性能和传热性能计算和评估有一定的困难。
而对换热器的结构性能进行准确分析一般都需要进行流固耦合模拟，如果要同时进行换热器的流体流动与传热和结构性能分析就更加困难。
有关管壳式换热器的温度场研究，目前大多数文献集中于研究管板的温度场及所产生温差应力、以及由此导致的结构强度等问题，通常利用ANSYS 大型商用软件行管壳式换热器管板结构的温度场研究，采用简化的三维实体模型较多，一般利用已知的平均温度或利用已知的换热（膜）系数对几何结构模型加载，而这些已知条件通常来源于手册提供的数据或者经验数据，并非来源于严格的换热器流体力学与传热工艺的数值计算，因此是产生结果计算偏差的主要原因之一。
目前文献对于给定工艺条件下管壳式换热器的整体温度场研究的并不多，由于准确的温度场是研究温差应力及其危害的前提，因此本文利用FLUENT 和ANSYS 软件对一台固定管板换热器的约束构件之间的整体结构在正常运行工况下的数值模拟问题进行了研究，首先从计算流体力学与传热的角度出发，利用FLUENT软件进行换热器流体流动与传热的工艺状况数值模拟。
然后把FLUENT 软件的数值模拟结果导入ANSYS中作节点插值，完成温度场的重建，作为进行换热器的热分析以及结构分析的边界条件。
从而实现了管壳式换热器的FLUENT 和ANSYS 联合仿真模拟，综合整个过程可以很好地完成同一条件下换热器的流体力学与传热和结构性能分析，使得换热器的工艺性能计算与结构分析计算完整地结合在一起，计算精度更高。
1 CFD数值模拟本文研究的换热器结构示意如图1所示，在对实际结构进行合理简化的基础上，以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型，采用分段模拟、整体综合的方法，利用FLUENT软件对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行数值模拟[8] ，得到计算流道上有关各个构件的壁温场分布。
图1 换热器结构示意图CFD模型正常工作状态下换热器的管程介质为饱和水蒸汽，蒸汽温度为110℃。
壳程介质为自来水，壳程流体进口速度为Vint=0.3m/s 。
如果完全按照实际结构建立计算模型，势必给建模以及数值分析计算带来不便，因此在数值计算之前，需要对换热器中对温度场（即流体流动）有影响的结构以及变形相互之间受到约束的构件进行分析，然后对整体结构进行适当简化。
根据换热器的安装和放置方式，运行中的换热器的结构关于垂直中心线对称，故建立对称模型。
在本文研究的换热器中，影响传热（温度场）的主要结构有导流筒、换热管、折流栅、管板、壳体，而变形受到约束的结构构件，主要有高温端和低温端管板、换热管束、壳程筒体。
因此实际建模中，模型应该包括对温度分布造成影响的结构以及产生热变形时受到约束的结构。
整台换热器的温度场数值计算模型由导流筒流道（进口段和出口段）和折流栅流道（总共六段）组成。
1.2 边界条件及求解对于三维流场数值计算的边界条件，一般分为入口边界条件、出口边界条件、固体壁面及对称面四大类型。
对于本文计算模型，边界条件的确定如下：入口边界条件：正常工作条件下，换热器壳程进口（接管）速度往往是给定的，同时考虑到壳程为不可压缩流体，故给出速度进口条件。
折流栅流道的入口边界根据上一流段的出口速度分布来给定。
出口边界条件：对于进口段模型其出口边界可定义为自由出流。
对于折流栅段，经试算后发现设置出口自由出流的边界条件也适宜。
固体壁面：直接将固体壁面定义为非滑移(静止)壁面。
壳程内件及壳体外壁面定为绝热边界，对于蒸汽流过的通道表面则为恒壁温。
在换热器中壳程内流体一般呈湍流流动状态。
本文模拟的换热器壳程流体流动的雷诺数Re≈3060 ，因此在进行模拟计算时，需要考虑为其建立合适的湍流模型。
工程上常用的是k-ε 模型，考虑到RNG k-ε 模型对于解这类问题的优越性，因此选择RNG k-ε 模型进行分析求解。
本文计算模型中壳程流体不可压缩，不考虑体积力，因此选择分离求解器，可以更快得到收敛解。
在分离求解器中对流项的离散方法上，在计算时根据模型的情况适当结合一阶和二阶精度进行。
1.3 CFD 模拟结果通过数值模拟计算，可以知道换热器内部的流动和传热状况，可以获得流体或壁面的速度分布，温度和压力分布，还可以输出FLUENT 的温度场分析结果作为ANSYS 输入文件，为ANSYS 结构分析建立所需的边界条件，图2～图5 给出了Fluent 中典型且有代表性分段模型的壁面温度场分布。
图2 入口段CFD 模拟温度场分布图3 入口段管子及管板CFD 模拟温度场分布图4 折流栅段（四）CFD 模拟温度场分布图5 折流栅段（四）管子CFD 模拟温度场分布2 ANSYS有限元分析2.1 CFD结果数据插值本文所要解决的问题其实是要让边界条件能够从FLUENT 软件传递到ANSYS 软件中。
除了文件格式的不同外，最大的问题是网格不一致。
CFD 网格和FEA 网格往往不会一致，在CFD 里面得到结果后，需要把边界上的值从CFD 流体网格映射到FEA 固体网格上。
在CFD 里面做了流体和固体耦合传热分析后，需要把固体部分的温度输出转化到对应的ANSYS 模型，以便做热应力分析。
而ANSYS 里面的子模型操作命令（BFINT）可以把温度自由度从一个网格直接映射到另一个网格。
此时传热分析和结构分析可以使用两套不同的网格。
首先建立ANSYS 的固体结构模型，模型的形状及位置与FLUENT 中固体模型部分相吻合，以便边界的节点能得到好的插值结果，为了能够跟CFD 模型对应，ANSYS 中也采用分段划分网格的方法离散模型。
从ANSYS换热器模型中输出相应各段边界节点文件，用这些节点文件进行温度插值。
从CFD软件输出固体温度时会得到一个cdb文件。
可以根据需要对这个文件进行修改，之后读进温度文件在ANSYS 中生成表面效应单元，并求解。
在后处理器中执行BFINT命令。
对输出的节点进行插值，会得到一个包含节点温度插值结果的bfin文件，直接将bfin 文件读到ANSYS 有限元固体模型中。
这样，CFD模拟的温度场结果就通过节点插值直接加到ANSYS的有限元模型上了，也就得到了后续热分析以及结构分析所需的边界条件。
2.2 ANSYS 热分析本文利用ANSYS 对换热器进行热—结构耦合分析时，采用间接耦合方法分析温差热应力，即首先通过上述插值的方法得到有限元模型所需要的温度边界条件，读入bfin 文件到ANSYS 有限元固体模型中，把CFD 模拟的温度场结果通过节点插值直接加到ANSYS的有限元模型上。
然后就可以对已经施加边界节点温度的换热器模型进行热分析，结果得到换热器模型温度场分布，如图６-９。
通过比较图２-５与图６-９的结果可以看出，CFD 温度场结果与ANSYS热分析的温度场分布差别甚微，说明节点的插值过程误差很小。
这就从换热器流体力学及传热的角度得到了有限元结构分析所需要的准确的温度分布。
为利用Fluent的计算结果在ANSYS中进一步研究换热器的温差应力提供了保证。
由图6-9 可见，换热器管板沿轴向的温度梯度变化剧烈；而在管板径向的温度分布规律为自中心往外逐渐减小。
管板和壳体连接处的温度梯度较大，在换热管和管板连接区域温度变化很明显；壳体整体上温度变化较平缓。
管子外壁面温度沿流体流动方向逐渐升高，变化缓慢。
其中图6，图7 显示了入口段壳体和管束的壁温变化，由于壳体与主要与冷流体接触，整体温度较低，变化也较缓和，而在壳体与管板连接区域，管板高温侧和管子内壁的温度较高，壳程流体温度较低，出现由管程到壳程的急剧温度变化。
壳体温度沿着周向的分布比较均匀，接近轴对称温度分布模式。
由于入口段冷热流体温差较大，流体从入口接管流经导流结构，管板壳程侧，然后沿着管束的方向流动，流体多次改变流向和分布情况，因此入口段管子壁温变化较急剧，局部温差变化较大，在热端温度较高且相对均匀。
入口段管板壳程侧的温度变化较大，分布不均匀。
图6 入口段ANSYS温度场分布图7 入口段管子及管板温度分布图9 给出了典型的折流栅段的管束壁温分布，从中可见沿着管子轴线方向和圆周方向，局部温度分布明显不同，尤其是在有折流杆的部位，温度分布出现明显的变化，这说明，常规换热器设计计算中，采用面积平均温度的缓慢变化曲线来说明沿着流道均匀缓慢的温度变化是近似的和经验的，由于通过入口段后的流体得到充分发展，流道形状变化不大，流体分布的变化较小，因此管束在这些充分发展的流道内，由面积平均得到的温度变化均匀而缓慢。
但是实际上由于存在内件，局部温度变化是十分明显的。
图8 折流栅段（四）ANSYS温度场分布图9 折流栅段（四）管子ANSYS温度场分布图10 给出了换热器外壳的温度场，可见在两接管之间的壳程区域，沿着壳程流体从进口到出口的流动方向，外壳的壁面温度是连续缓慢升高的，两端的管箱具有较高的温度。
总体上看，壳程沿着轴线方向的温度分布近似满足轴对称条件。
图10 换热器壳体温度分布2.3 ANSYS 热应力分析热分析从整体上分析管壳式换热器工作状态下温度场，从输出的结果可见，换热器的管板、管束和壳体三大约束构件之间由于存在装配与工作条件之间的温差，以及管程和壳程之间流体温差，均会导致热应力。
图11 给出了管束、壳体与管板连接区高温端的热应力分布，从图中可见，管板的两个侧面附近具有较大的应力，而管板中心部位的应力较小，这提示管板承受了典型的弯曲应力，而由于中心部位温度高，管子热膨胀较大，从而受到管板的约束较大，因此，所产生的热应力也较大，其次，在管板与壳体连接的区域，也存在较大的热应力，从变形特征看，管箱侧应存在较大的压缩应力，这些结果与常规固定管板换热器的应力分析结果是一致的。
图11 管束、壳体与管板的应力分布图12 给出了壳体轴向热应力的变化情况，图中可见，除了在与管板连接区域存在较大的热应力外，壳程的其余部分的温差热应力并不是很大。
图12 壳体轴向（Z）应力分布图13 和图14 给出了热端管板在管程侧和壳程侧的热应力分布，可见，管板的热应力呈现中心高，布管区边缘低，而与壳体连接区热应力高的特点。
结合变形的性质，可知对于管箱一侧的管板，中心部位呈现最大拉伸应力，而与壳体连接区域出现压缩最大应力，布管区与不布管区域的结合处应力出现转折即由拉伸转化为压缩，这与一般理论分析得到的结果大致吻合。
图13 管板应力分布（管程侧）图14 管板应力分布（壳程侧）图15 给出了管子和管板的轴向应力分布情况，图中可见，轴向应力的最大值发生在管子与管板以及管板与壳体连接的区域，由于本文管板不兼法兰，管板与壳体连接的整体性较高，因此，最大的拉脱力将出现在管子与管板连接部位，尤其是管板的中心部位。
