热交换器是工业热管理的基石，尤其是在化工和能源领域。其中，壳管式热交换器（SHTX）因其机械坚固、易于维护和高传热效率而成为首选方案。传统设计高度依赖经验相关性，但当面对非常规几何或作条件时，这些方法表现不足。

作者：哈利·帕诺 和 本杰明·特纳，LATTICEPT

为解决上述限制，先进的计算工具如M-Star CFD正在为工程师分析和优化热交换器性能开辟新途径。通过利用格点玻尔兹曼法（LBM），M-Star CFD实现了快速且准确的复杂流体动力学和热传递模拟，所有这些都由现代GPU驱动。最近，Thomas等人（2024）对一种广义方法进行了广泛验证，用于计算多种工业适用几何形状的对流热传递系数：搅拌罐、管道流系统、横流中的圆柱体和管束。作者验证了该方法在实验中基于SHTX经验设计相关性预期的实施。

为什么要用M-Star CFD做热交换器

M-Star CFD 专为利用 GPU 的并行处理能力而设计，相比传统有限体积方法（FVM）大幅缩短计算时间。与依赖求解微分方程的FVM不同，LBM模拟流体行为作为粒子状元素之间的相互作用。该方法简化了网格生成，并允许更自然地模拟湍流，湍流是热交换器性能的关键因素。最新研究表明，M-Star CFD能够在SHTX设计中实现高保真度的热传导和压降结果，同时显著降低计算开销。一项关键创新是采用广义对流热传递系数方法，无需近壁湍流模型。相反，利用整体流动中的局部能量耗散速率计算热传递系数，简化了模拟过程。

壳管式热交换器的几何形状

表1 – 敏感性研究用网格参数

模拟壳管式热交换器

本研究在NVIDIA RTX 3090 GPU上使用M-Star CFD模拟了壳管式热交换器在不同流量下的表现。测试了三种不同的网格分辨率，以平衡准确性和计算成本。中间分辨率被证明是最优选择，在保持合理运行时间的同时，实验数据的10%以内实现结果。为确保准确预测，采用了“墙函数”模型。该方法平滑了边界层的相互作用，并减少了传统网格对齐边界条件相关的数值伪影。结果与实验数据进行了基准对比，显示在压力降和传热系数预测上极为一致。壳侧入口规定固定流量为0.00222立方米/秒，壳侧出口处规定0磅每平方英寸压力的边界条件。流体性质使用了运动粘度为1e–6平方米/秒、密度为1000 kg/m3的水。所有模拟均在NVIDIA RTX 3090 GPU上完成，每次模拟总时长为10秒，舍弃前5秒以消除启动时的初始瞬态。随后对剩余5秒进行了时间平均分析。除了这些数值研究外，还选择了中间晶格尺寸来评估Chen等人2019年实验报告的全部体积性fl-ow条件。最初为3立方米/小时，每5秒增加1立方米/小时，直到达到7立方米/小时。

主要发现

热交换器壳体侧压降的结果如下所示。

压力降：使用墙函数模型的模拟在不同 FL OW 速率范围内与实验值高度匹配，优于传统的网格对齐和插值边界条件。这对于确保工业系统中实际的能源需求至关重要。传热：壁函数模型在预测热传递系数方面也表现出色，在高流量下，偏差与实验值相差小于10%。该方法有效捕捉局部传热变化，提供更深入的交换器性能洞察。编译 陈讲运局部传热系数：M-Star CFD的一个突出特点是能够在整个换热器表面解析局部热传递系数。这为工程师提供了关于热传递最高效区域及潜在瓶颈的详细信息。通过可视化这些局部变化，设计师可以精准定位优化领域，如改善流量分布或修改管道和挡板布置。这种粒度对于提升整体性能、确保均匀传热以及解决系统潜在低效问题至关重要。此外，该功能通过识别易受污垢或性能下降的区域支持预测性维护。

数值和实验壳侧压降。

数值和实验热传递系数。

局部热传递系数（流量=3立方米/小时）

局部传热系数（流量=4立方米/小时）

局部热传递系数（流量=5立方米/小时）

局部热传递系数（流量=6立方米/小时）

局部热传递系数（流量=7立方米/小时）

实际影响

模拟瞬态流动现象的能力为优化热交换器设计开辟了新可能。工程师们现在可以以前所未有的速度和精度评估不同运行条件或几何变动的影响。此外，M-Star CFD提供的局部热传递系数分布支持有针对性的改进，如优化挡板位置或管状排列。M-Star CFD展示了其作为热交换器行业变革工具的潜力。其GPU加速性能、稳健的湍流建模和创新的热传递系数计算相结合，使其成为希望突破设计和效率边界的工程师宝贵资源。随着行业不断接受数字化，像M-Star CFD这样的工具将成为保持领先的关键。