摘要：板翅式换热器是海上天然气开采后进行液化处理的主换热设备，由于其内部结构的复杂性，容易引起各通道流量分配不均匀，会严重影响换热器效率。对换热器封头简化后进行建模，构建了板翅式换热器封头内两相流流动三维非稳态模型，以两相天然气为主要介质，利用计算流体力学（CFD）的方法，分析了不同气相体积分数的两相天然气在板翅式换热器封头内的分配特性。研究结果表明，当入口处气相天然气体积分数为50%时，气相整体分配不均匀度为0.50，液相整体分配不均匀度为0.03，各通道气相天然气的质量流量分布呈现中间低两端高的特点，液相天然气则相反，验证了两相流分配性能比单相流更加复杂的正确性。当入口处气相天然气体积分数逐渐增加时，中间通道和两端通道的两相流质量流量差逐渐变大，这表明流体的整体分配均匀性逐渐恶化。

　　关键词：板翅式换热器，流体分配，液化天然气，数值模拟

　　0引言

　　由于当前世界的能源危机，天然气作为重要的且清洁的传统能源，其开采和利用已成为当前学术界的热点问题[1]。在天然气开采过程中，为了便于运输和储存，开采后需要进行液化处理，液化天然气低温冷箱是最主要的热量交换设备[2]，此设备的主要目的是将开采的原料天然气进行降温液化。由于板翅式换热器换热效率高、体积小、重量轻的优势，液化天然气主换热设备一般采用板翅式换热器[3-5]。

　　现阶段，板翅式换热器已经在液化天然气领域得到了广泛应用。在板翅式换热器实际运用过程中，天然气由入口导流管进入封头截面的突扩过程。

　　基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（2023-JC-YB-350）动结构，再由封头流动截面的突缩过程分配进入各翅片，这种流动结构急剧的变化会导致封头内部的流场扰动更加强烈，极易导致各通道内工质分配不均[6]。所以板翅式换热器流量均匀分配只是一种理想工况，而分配不均匀会导致换热不均匀，从而会导致换热器效率下降[7]。因此，研究板翅式换热器封头的流量分配特性十分必要。

　　目前，国内外研究板翅式换热器流量分配的介质大多数为水和空气。朱建鲁等[8]建立了空气和水的实验分配系统，对不同工况下的分配特性进行研究。实验结果表明，两相流分配特性比单相流更复杂，倾斜状态比水平状态更复杂。代苏苏等[9]研究了不同尺寸、不同工况下平行阵列微细通道的流量分配特性，研究结果表面，直径越大分配越均匀，倾斜角度对流量分配的影响较大。吴静玮，张弛等[10]使用CFD技术，研究了翅片管在横摇等工况下的流量分配，结果表面非常规工况下的分配情况更加复杂。彭翔等[11-12]研究了复杂工况的板翅式换热器流量分配情况，并建立了一种新结构改善了换热器的分配性能。Li等[13]将先气液混合的传统封头和新的气液分配器进行对比，考虑不同倾斜角度对两者流场分布的影响程度，结果表明新的气液分配器更有利于均匀分配。任红艳[14]铝制板翅式换热器在导流片结构方面对换热器性能的影响，并研究了多种导流片结构以促进换热器性能。曹学文等[15]以单相流为主要介质，研究了不同入口条件下优化后的板翅式换热器流量分配特性。韩明刚[16]研究了过渡段和S弯设计对板翅式换热器流量分配的影响，通过数值模拟结果表明改造后的结构改善了流量分配情况。张生朝[17]研究了不同翅片结构对换热器流动和换热的影响，通过数值模拟结果表明纵向波纹翅片的换热器能够有效改善换热性能。张帅[18]利用遗传算法对换热器性能进行研究，分别使用SEGA和NSGA II算法对目标进行优化。综上所述，国内外的相关研究集中于稳定工况下板翅式换热器的流量分配特性且以实验研究为主。对于在稳定工况下封头的优化设计，国内外研究虽已十分成熟，但是缺乏针对实际工况应用的研究。因此，本文构建了适用于实际工况的板翅式换热器封头内分配特性三维瞬态模型，模拟不同气相体积分数下两相流天然气在封头内的分配情况。

　　1数值模型及网格划分

　　1.1物理模型

　　图1所示为板翅式换热器的典型结构示意图[19]。参考图中板翅式换热器的经典结构型式，对封头结构简化，进行三维几何建模。

　　图2所示为研究的板翅式换热器封头的三维物理模型。液相甲烷和气相甲烷分别从进口1和进口2进入三通管后充分混合，然后进入封头箱体内，再通过封头进入各个翅片，在沿各翅片流动过程中，通过壁面进行热量交换，最后流出翅片。其中，板翅式换热器入口引入管直径为66 mm，封头上部半圆柱箱体半径为33 mm，下部的矩形箱体长400 mm，宽66 mm，高40 mm。为了方便研究，可以简化模型，本文以10根翅片为例，并排设置。在图3中，各个翅片宽为3 mm，长度为150 mm，各翅片间距20 mm。为了充分研究板翅式换热器封头内流体分配，更好的进行气液混合，在封头上接入一个三通管，三通直径66 mm，三通长度为入口管直径的50倍，三通进口管2直径为30 mm，长度500 mm。

　　1.2网格划分

　　由于本文研究的物理模型具有对称性，结构化网格可以实现更好的区域边界拟合，网格生成速度快，计算精准，因此本文对简化后的物理模型采用结构化网格画法，同时在流体流过的近壁面处进行网格加密，设置边界层网格。带三通的三维几何模型和入口处的结构化网格划分如图3所示。

　　2数学模型及求解

　　2.1基本方程

　　为了便于数值模拟，对本文的数值模型进行必要的简化：流体为牛顿流体；两相流流动及混合过程中物性恒定；流动过程中两相流流体不进行换热，并且不与接触的壁面换热。

　　本文研究的流体流动在过程中遵循三大守恒定律，计算模型如下。

　　2.2湍流模型

　　湍流公式如下：

　　μeff=μ+μt              （6）

　　式中：μeff为有效黏度，Pa·s；μt为湍动黏度，Pa·s。

　　2.3模型设置与边界条件

　　本文采用结构化网格划分，入口条件为速度入口，入口的流速可查询相关文献，封头出口边界条件设置为压力出口，重力方向沿Z轴方向，模型整体水平布置，模型外部边界绝热且滑移速度为0。

　　为了研究两相流板翅式换热器内气液两相分配均匀度，参考板翅式换热器内的流速范围，设置不同的入口速度，研究在不同气体体积分数下的流体分配特性。查询的入口流速如表1所示。

　　以往学者多以水-空气为工质进行板翅式换热器流量分配数值模拟。由于天然气中甲烷的含量占比85%~95%，可以比较精确地对天然气分配情况进行研究。所以本文以甲烷为主要工质，参考文献[20]的参数，表2所示为本文研究的液态甲烷和气态甲烷的物性参数。

　　3模型验证

　　图4所示为文献[21]中的测试系统。该实验系统用空气-水作为实验介质，测试了不同雷诺数下流体各翅片出口的气相质量流量、液相质量流量，并且计算了不同雷诺数下的流体分配不均匀度，研究两相流在试验系统中的流体分配情况。

　　本文只需要模拟当气相雷诺数为12 000，液相的雷诺数分别为3 626、4 651、7 221、8 520时的气液两相流体分配不均匀度，根据模拟结果与实验结果进行对比，以此来分析模型的可靠性，如图5所示。

　　模型验证可表明，无论是气相还是液相，模拟与实验的结果差距均很小，在可接受的范围内。因此，数值模拟与测试实验中分配不均匀度误差范围可以接受。这表明本文的模拟方法具有可靠性，可以用来研究板翅式换热器封头内的两相流分配特性。

　　4结果与分析

　　4.1网格无关性验证

　　本文预绘制了100万、120万、155万、174万、195万和210万个的网格数目的板翅式换热器封头模型，选取翅片出口5的质量流量进行对比，通过在不同网格数量下相同工况的模拟，网格数量在174万和195万时，翅片出口5的质量流量差别小于5%，并在网格数目继续增大时，出口5的质量流量变化不大。因此，为了便于计算，本文选取的最终的网格数为174万个。

　　4.2评价参数

　　本文主要测定各个翅片通道出口的质量流量，计算封头内各个通道出口的分配偏差系数，以及流体整体分配不均匀度，对比不同工况的分配情况，得出板翅式换热器封头的流体分配均匀情况。

　　流体分配不均匀度是研究流体分配的重要数据，反映流体的分配均匀性，RSTD越大说明流体的分配越不均匀。

　　4.3两相流工况的流量分配

　　为了研究两相流分配特性，在模拟过程中，模型设置为瞬态模型，选择的多相流方法为Eulerian法，选用k-epsilon模型，当残差值小于10-4且进出口质量流量差小于进口的5%时认为计算收敛。

　　由于封头形状具有对称性，因此为了便于研究，本文假设封头流量也具有对称性，对对称翅片进行分组，对称的两个翅片取平均值，计算出口的流量分配偏差系数。

　　本节研究内容为当入口管气相体积分数为50%时流体的分配情况，图6所示为气相体积分数为50%时封头内的速度流线图。由图可知，在水平接入管中，气相甲烷和液相甲烷混合后，由于重力的作用，气相会浮在液相的上方，形成分层流。

　　两相甲烷在进入封头箱体的瞬间，流通面积会突然扩充，扩充后流体迅速遇到翅片进口的缩小，流体在流动过程中受到了一定程度的阻碍，经历了这一复杂的流动过程，两相甲烷在混合段箱体内两端形成涡流，流体由中间通道向两边开始发散，所以导致了流体在进入各个翅片的流量不同。

　　图7所示为气相体积分数50%时各个翅片出口的气相质量流量。图8所示为在气相体积分数为50%时，出口整体分配偏差系数和液相分配偏差系数对比。由图7和图8可看出，翅片出口的流量分配偏差系数与翅片出口的质量流量趋势基本相同，因此翅片出口的流量分配偏差系数可代表板翅式换热器的流量分配情况。由图8可看出，当气相体积分数50%时，两相流体和液相流体在封头内的分配趋势一致，液相流体在中间通道的流量最大，向两端发展时会出现先降低再增加的趋势，而气相流体在中间通道的流量最小，气相主要分布在两侧翅片通道，造成这种现象的原因可能是由于两相甲烷的物性参数和封头结构共同的作用。

　　由于流体从接管进入封头的瞬间面积扩大，流到箱体底部时翅片面积突然变小，流体在中心区域速度较大，对封头箱体底部会产生较大的压力，封头中间部分与翅片出口会产生较大的压降，液相甲烷由于更大的密度和粘度更倾向于向中间通道流出，而当通道中液相质量流量增加时，气相质量流量就会减少，反之两端翅片液相流量减少时，气相流量就会增加。可以看出，随着气相流体的加入，封头内的流体分布更为紊乱。

　　通过计算分析，当入口处气相体积分数50%时，两相流整体分配不均匀度为0.032，气相整体分配不均匀度为0.501，液相整体分配不均匀度为0.03。与单相流对比，由于气相甲烷的加入，两相流流体整体的分配不均现象更加明显，而气相的分配均匀性明显比液相均匀性差。4.4不同工况下两相流的流量分配上文研究了气体体积分数为50%时的流体分配情况，本节将通过改变入口2的初速度，模拟不同气相体积分数的流体分配情况，计算分析板翅式换热器封头内流体分配特性。

　　图9所示为不同气相体积分数下翅片出口的气相质量流量。对比分析3种不同气相体积分数下的出口质量流量，随着气体体积流量的增多，中间两翅片出口的气相质量流量逐渐增多，同时两端的质量流量也增多。整体上气相体积分数越大，通道出口的气相质量流量曲线也越高。

　　图10所示为不同气相体积分数下出口气相流体分配偏差系数对比，与图9出口质量流量趋势变化基本相同。

　　图11所示为在不同气相体积分数下，气液混合相在出口处的流量分配偏差系数。可以看出，在翅片出口处中间段两相的质量流量最大，这也符合板翅式换热器翅片出口处整体分配特性。由图可以看出，在研究两相流工况的流量分配时，随着气相体积分数的增加，中间段整体分配流量逐渐变多，这是由于气相体积分数的增多，整体分配均匀性更倾向单相流的分配情况，会呈现中间与两端质量流量差过大的现象。随着气相体积分数的增加，液相体积分数会减小。

　　当气相体积分数20%时两端和中间的流量差距最小，随着气相体积分数的增加，两端和中间的流量差距越大，说明随着气相体积分数的增加，流体的整体分配不均匀度逐渐恶化，液相流体的分配也会逐渐恶化。引起此变化的原因是，气相体积分数的增多导致通道出口液相质量流量的减小，导致整体流量分配不均匀。

　　5结束语

　　经过本文的研究分析后得出以下结论。

　　（1）由于板翅式换热器结构的复杂性，流体在进入封头后会产生涡流，这导致各通道流体的质量流量存在差异，中间通道的质量流量往往比两端通道更大。

　　（2）两相流工况下，流体整体分配不均匀性更加复杂，气相甲烷更倾向于向两端发展，液相甲烷更倾向向中间通道流出。这是由于气相甲烷密度和粘度较小，受到扰流的影响更大。

　　（3）比较不同气相体积分数下翅片出口的分配情况，随着气相体积分数的增加，流体的分配均匀性会逐渐恶化。导致这种现象的原因是气相质量流量的增加导致了液相质量流量减小，液相天然气分配性能逐渐恶化。

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