摘要：提出壳程流体“斜向流”的新概念，解决了管壳式换热器性能提升的同时伴随流体流动阻力大幅增加的矛盾。研制了具有导向型折流栅管束支撑结构的新型高效节能斜向流管壳式换热器。采用场协同理论分析该换热器的强化传热机理，证明在此类换热器壳程中流体速度场与温度梯度场具有良好的协同关系。数值模拟了几何结构对传热和压降的影响规律，模拟结果与实验数据吻合良好。
1·引言
目前，根据管壳式换热器壳程流体流动方向与换热管束的夹角不同，可将壳程流体流动形态分为横向流、纵向流和螺旋流。壳程流体横向冲刷换热管束时，存在较大的流动和传热死区，易产生流体诱导振动。螺旋折流板换热器壳程流体的流速变化较为平缓，可有效消除死区和返混现象，但因其制造和安装难度大，故未能得到广泛应用。折流杆换热器实现了壳程流体的纵向流动，表现出更优的工作性能，但是结构不够紧凑、在低雷诺数（Re）工况下存在传热效果不佳的缺陷[1~4]。因此，改变管壳式换热器壳程结构设计理念，进行壳程结构创新，改善壳程流体流动和传热效果是十分必要的，也是工程节能降耗的客观要求。2斜向流管壳式换热器简介本文提出以换热器壳程流体“斜向流”的方式达到传热强化和流动减阻的双重目的。该方式将横向流换热器壳程主流区的横向流动分散为多股受迫倾斜流动，并将壳程流动死区予以分散，凭借高效传热元件（导向型折流栅）予以部分消除，从而避免了流体因受横向阻挡产生的速度剧烈变化和动能损失，有效利用横向流对换热管更为强烈的冲刷作用引起强化传热效果[5,6]。其总体上的纵向流动趋势，在一定程度上继承了纵向流换热器抗振性能好、除垢防垢效果强、综合性能优等特点。其流动状态和装配示意图分别如图1和图2所示。
壳程流体在倾斜流道中受迫流动形成射流，扰动作用强烈。倾斜设置的折流片对壳程流体的扰动效果明显强于折流杆，有助于提高主流区的湍动程度和平均流速。使用斜向折流片支撑换热管时可采用三角形布管方式，故壳程紧凑程度比折流杆换热器高。因斜向折流片对流体的阻挡程度小于弓形折流板且消除了大部分流动死区，壳程压降比弓形折流板换热器的明显降低，故斜向流管壳式换热器具有显著的强化传热和流动减阻效果，尤其适合于传热系数要求较高而流体外加动力有限的工况场合。
3·折流栅结构参数对流体流动和传热性能的影响 3.1数学模型及数值计算方法
基于不可压缩的牛顿型流体，在常物性和宏观热能守恒的假设下，管壳式换热器壳程流体的流动和传热必须满足以下3个控制方程[7，8]。
（1）质量守恒方程：
典型管壳式换热器壳程流道呈周期性变化，且某些类型的壳程流道具有对称性。壳程沿流体流动方向可以划分为进口段、周期性充分发展段和出口段。换热器壳程大部分换热段处于周期性充分发展段；该区域的流体流动和传热性能反映了换热器的整体性能。因此，建立管壳式换热器周期性全截面计算模型，是对其进行数值模拟研究的便捷和高效的方法。在对其几何结构进行简化后，可建立斜向流换热器的周期性全截面计算模型（由于结构的对称性，建模时取相对称的1/2实体即可），如图3所示。
采用分块划分、结构化和非结构化网格相结合的方式对模型进行网格划分，数值计算方法和边界条件具体如下：①近壁节点采用壁面函数法处理，采用标准k-ε湍流模型计算湍流参量的影响；②采用求解压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE）处理压力和速度的耦合问题；③假定换热管壁恒温，壳程介质为水或空气，物性参数取定性温度下的常量；④给