图4-2 壳程流体传热耦合有限元分析二维模型
3) 对于本课题设计的换热器的重要部件管板（结构如下图4-3）进行分析时采用真实的三维模型进行分析，在边界条件设置时采用壳程分析和管程分析得到的相应数据进行设置（如对上管板进行分析时对温度边界的设置由于管板的上表面主要与管程流体介质接触温度主要受管程的影响，因此其温度为相应管程结构点的温度分布。下表面主要与壳程介质相关，因此其温度分布主要为壳程相应结构点的温度）
图4-3管板结构有限元分析三维实体模型
4) 对于换热器的管程进行分析时，壳程介质温度取壳程的平均温度为190℃空气自然对流温度进行壳程模拟。
第五节 换热器管程模型有限元耦合分析
对于换热器管程模型进行稳态流体传热耦合分析和热-应力耦合分析，耦合分析采用间接耦合分析的方法进行，即先进行稳态流场分析，然后进行稳态热分析，最后进行热应力分析。
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一、 换热器管程的稳态流场分析
1) 网格划分和材料定义
在对换热器换热管内的流场进行分析时，首先生成换热管内的流体区域，并对换热管即换热管内的流体进行网格划分；采用algor内置的强大的封闭区域自动生成流体区域的功能生成管程流体的模型，如下图4-4、4-5所示。
图4-4 换热器结构模型和管程流体区域模型
图4-5 Algor自动生成的换热器管程流体区域模型
为了便于以后的稳态传热耦合分析和热应力耦合分析，对换热器管程模型和管程流体进行统一网格划分，对于整体网格采用四面体实体网格，对于管程流体区域由于进行流场分析时，为了保证分析的精确性，在网格划分时要考虑流场区域的边界层的存在。对于流畅区域的网格划分采用四面体和楔形体（边界层）网格，在流体边界上划分三层边界层网格。划分好的网格模型如下图4-8。
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图4-6 换热器和管程流体区域网格划分结果
图4-7 换热器管程流体区域网格划分结果
图4-8 流体区域边界上的三层边界层网格结构
2) 边界条件、载荷和分析设置
在algor软件中作稳态流场分析只能对流体区域进行分析，因此在分析之前要将换热器换热管部件禁用，只激活包含换热器管内的流体区域的部件。由于algor强大的智能区分流体边界的功能，在没有施加流体载荷的部分被全部认为为固体边界，所以在设置边界条件时，只要对流体介质的物性参数和进出口边界进行设置。由于管内流动介质为水，采用algor自带的材料库设置水密度为998.156kg/m3，运动粘度为0.0009997N/㎡，进口边界条件为沿Z轴方向的稳定流速为5m/s，出口边界设置为指定出口和入口边界（即指定为出口边界）。分析类
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型设置，考虑重力方向为Z轴负方向，并且为了对后面的热应力耦合分析进行计算分析将稳态流场分析得到的压力分布结果进行输出。为了得到更精确的分析结果和缩短计算时间，设置分析器类型为稀疏矩阵类型。设置好这些参数后就可以进行计算，计算结果如下图4-9所示。
图4-9管程稳定流场有限元分析结果
3) 分析结果分析
从上图分析得到的水的流速图中可以得出换热器换热管内的流速增加比较快速，出口浮头处的流速变化相对平稳。分析主要原因为入口浮头处得质量流量比较大，而换热管的横切面积相对浮头入口较小，所有在换热管内的流速加大；并且导致在入口浮头处与换热管相交的地方压力较大的原因，并且导致出口浮头局部区域的压力比较大。对于出口边界的中间流速过大，主要由于中间换热管直接导通所致，在实际换热器结构中，由于换热管的截面面积远远小于浮头出口截面面积，将不会出现这样大的波动。
二、 换热器管程稳态温度场分析和热应力耦合分析
(一) 换热器管程稳态温度场分析
由于对稳态流体传热耦合分析采用间接耦合分析方法，所以在作稳态温度场分析时应该先将上一步稳态流场分析得到的流速分布结果导入稳态温度场分析模型中，作为流体温度变化的速度载荷（主要原因为在algor软件中传递温度梯度、压力梯度等主要以坐标的方式进行传递[12]），并选择最后一个载荷工况的流速计算。由于在温度场分析中要考虑换热器内管程流
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体与换热器结构和换热器壳程流体之间的换热，因此在本分析过程中将换热器结构部件激活。设置分析类型的材料参数如下表9。
表 9 换热器稳态温度场分析材料参数
类型 管程介质 壳程介质 换热管 材料 水蒸气 空气 AISI1010 质量密度kg/m3 7.99 5.5582 7870 导热系数W/(m.℃) 平均比热J/(kg.K) 0.6176 0.03852 49.8 4.844 1.034088 448 边界条件设置方法：在设置边界条件时，考虑到换热器是暴露在空气中，没有保温装置，
因此将换热器暴露在空气中的部分设置为空气自然对流，自然对流的温度为20℃；由于壳程介质的流速分布和温度场分布比较复杂难于计算，因此将换热器换热管外侧的温度取计算得到平均温度200℃，换热器管程入口浮头温度载荷为300℃；稳态传热分析设置：在分析过程中考虑湍流和粘性热对温度场分布的影响；求解器类型选择稀疏求解器；通过计算得到的换热器管程的温度场分布和热通量分布图如下图4-10。
图4-10 稳态温度场有限元分析结果
从稳态分析结果中可以看出在靠近壳程低温侧的布管区沿轴向的温度梯度变化比较剧烈，换热管流体入口处的温度变化梯度最明显。低温侧由于没有保温材料暴露在空气中的部分温度相对较低温度在61℃左右。管程出口浮头受管内流体流速冲击影响出口处浮头的流速在管程有一定的大的变化如下图4-11所示。
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