一种换热管及采用该换热管的管壳式热交换器技术领域
本发明属于工程热物理热交换器领域，更具体地，涉及一种换热管及采用该换热
管的管壳式热交换器，该换热管是可应用于管壳式热交换器的换热管，改善换热管绕流尾
流流场，降低换热管所受阻力，减少因为涡脱落带来的换热管振动，减小涡脱落频率，可以
更合理的增加流体流速，提高对流换热系数，强化换热器换热。
背景技术
流体横掠圆柱时，在圆柱背面两侧将产生周期性交替脱落的反对称漩涡尾流，称
为卡门涡街。圆柱表面受力的振荡与尾迹中的涡脱落现象密切相关，漩涡的交替产生和脱
落使圆柱的两侧产生垂直于流向周期变化的激振力，导致圆柱发生振动。近年来随着能源
与动力工程领域、航空航天领域和核工程领域的飞速发展，对钝体诱导振动的控制问题引
起了广泛关注并提出了更高的要求。
在许多与流体有关的机械工程中，诱导振动是一个涉及安全性的重大问题。管壳
式热交换器中一旦换热管发生振动，就可能导致换热管与换热管、换热管与折流板之间的
碰撞、磨损等问题。如何降低振动在换热器向大容量、高参数化发展，同时为了强化传热和
减少结垢，流体流速普遍提高的现在，显得尤其重要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种换热管及采用
该换热管的管壳式热交换器，其中通过对换热管中关键的前置和/或后置隔板的结构(尤其
是形状参数)及设置方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决管壳式热交换器中由
于流体流速提高引起的换热管振动和换热管所受阻力增加的问题，实现管壳式热交换器的
降阻减振；该换热管及采用该换热管的管壳式热交换器非常适用于高流速的流体，适用的
流速范围为0.5m/s≤v≤5m/s，适用的雷诺数Re(Reynolds数:Re＝U×D/υ,U为来流速度，D
为D为换热管的直径(即外径)，υ为流体的运动粘性系数。)范围为103≤Re≤105。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种换热管，其特征在于，该换
热管包括圆管(2)，在该圆管(2)上设置有前置隔板(1)和/或后置隔板(3)，其中，以垂直于
换热管来流方向、且经过所述圆管(2)的中心轴线为参考界面将所述圆管(2)分为两个区
域，记这两个区域中先与来流接触的一个区域为前置区域，另一个区域即为后置区域，则所
述前置隔板(1)位于所述圆管(2)的所述前置区域上，并且所述前置隔板(1)所在平面与所
述来流方向相平行；所述后置隔板(3)位于所述圆管(2)的所述后置区域上，并且所述后置
隔板(3)所在平面与所述来流方向相平行；
记该圆管(2)的外径为D，并且，记所述前置隔板(3)和后置隔板(1)在垂直于所述
圆管(2)中心轴线的平面上的投影长度均为h，则所述h满足：0≤h≤0.6×D；
作为本发明的进一步优选，所述前置隔板(1)为前缘形状为波浪状、锯齿状或梯形
形状的平板；所述后置隔板(3)为尾缘形状为波浪状、锯齿状或梯形形状的平板。
作为本发明的进一步优选，所述前置隔板(1)为端面截面形状为矩形、三角形、梯
形或圆弧形的平板；所述后置隔板(3)为端面截面形状为矩形、三角形、梯形或圆弧形的的
平板。
作为本发明的另外一种布置方案，所述前置隔板(1)与所述圆管(2)之间的接触
线，距经过所述圆管(2)的中心轴线、且与所述来流方向相平行的平面的距离q1满足0≤q1
≤0.2×D；所述后置隔板(3)与所述圆管(2)之间的接触线，距经过所述圆管(2)的中心轴
线、且与所述来流方向相平行的平面的距离q2满足0≤q2≤0.2×D。
按照本发明的另一方面，本发明提供了一种采用上述换热管的管壳式热交换器，
其特征在于，该管壳式热交换器包括上述换热管。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，可改善换热管绕流尾流流
场，降低换热管所受阻力，减少因为涡脱落带来的换热管振动，减小涡脱落频率，可以更合
理的增加流体流速，提高对流换热系数，强化换热器换热。流体流经前置隔板时产生的湍流
边界层会加快圆柱下游分离剪切层的转捩，流体流经圆柱时脱落涡的分离点向下游移动，
导致尾迹区的宽度变窄，从而使圆柱阻力下降。尤其是通过后置隔板的合理设置，本发明中
的换热管可将换热管尾流区剪切层相互作用推迟至下游，并且改变换热管壁面的静压分
布，有效的降低了升力系数波动幅值，可高效的降低换热管的诱导振动。
隔板的长度参数h推荐在0到0.6×D之间选取，因为当隔板长度参数h较小时，后置
隔板既可以起到阻断尾流区剪切层相互作用,将其推迟至下游,以减小换热管表面上的压
力脉动,实现降阻减振的目的，又能避免当隔板长度参数h过大，隔板长度过长而导致换热
管尾缘脱落涡冲击在隔板上，增大了换热管升力系数的振动幅值，这种对于降阻减振不利
的情况的发生。
对于在换热管加后置隔板目前仍然鲜有报道，原因之一是虽然在风洞实验中可以
测量出加后置隔板的换热管的壁面的压力分布，但是由于在高雷诺数下因为涡脱落引起的
升力系数波动频率较快，实验仪器较难捕捉，故实验很难对换热管加后置隔板的减振效果
进行研究。而本发明则是通过三维大涡数值模拟准确模拟高雷诺数下流体流动状态，使得
换热管加后置隔板的降阻减振效果可以得以准确预测并进行研究。
具体说来，本发明能够取得以下有益效果：
1.本发明的前置隔板和后置隔板的形状的设计基准采用矩形平板(或是具有波浪
状、锯齿状、梯形状等不同形式的前缘或尾缘形状的平板，本发明中的隔板的长度参数h(当
隔板为具有有波浪状、锯齿状、梯形状等不同形式的前缘或尾缘形状的平板时，h表示隔板
顶端在垂直于圆管中心轴线的平面上的投影长度)在0到0.6×D之间，根据相应的模拟计算
验证可实现有效的降低换热管所受阻力和升力，实现更好的降阻减振效果，使换热管能在
更高的流速下使用，流速的增加能更好的强化换热，所以具有很好的应用价值。
本发明可根据换热管的直径D的大小对隔板的长度参数h作出相应的放大或缩小，
使得所设计的后置短隔板与换热管更为匹配。
附图说明
图1是本发明中带前置隔板和后置隔板的换热管整体结构示意图；
图2是带前置隔板和后置隔板的换热管尺寸示意图；图中D为换热管的直径(即外
径)，前置隔板(1)和后置隔板(3)的长度相等为h，t为隔板的厚度；
图3为只带前置隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；
图4为只带后置隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；
图5为前后都带隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；
图6是图1中本发明换热管带不同形式的前缘和/或尾缘隔板的结构示意图；
图7是图1中本发明换热管带不同端面截面形状的隔板结构示意图；
图8是图1中本发明换热管的隔板位置平移后的结构示意图；
图9是换热管时均阻力系数图；
图10是换热管的升力系数频幅分析曲线图；其中，图10A对应Re＝4×103，图10B对
应Re＝2×104，图10C对应Re＝3.6×104；
图中各标记的含义如下：1为前置隔板，2为圆管，3为后置隔板，4为管壳式换热器
中的折流板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1与图2所示，本发明中的换热管，包括圆管(2)、以及与该圆管(2)相连的前置
隔板(1)和后置隔板(3)，其中，以垂直于换热管来流方向、且经过圆管(2)的中心轴线为参
考界面将圆管(2)分为两个区域，记这两个区域中先与来流接触的一个区域为前置区域，另
一个区域即为后置区域，前置隔板(1)位于所述圆管(2)的所述前置区域上，并且所述前置
隔板(1)所在平面与所述来流方向相平行；后置隔板(3)位于所述圆管(2)的所述后置区域
上，并且所述后置隔板(3)所在平面与所述来流方向相平行；
记所述前置隔板(3)和后置隔板(1)在垂直于所述圆管(2)中心轴线的平面上的投
影长度均为h，则所述h满足：0≤h≤0.6×D；
本发明是根据换热管的圆管2的结构参数D调整后置隔板(1)的长度参数h(h在0到
0.6×D之间)，设计出一种新型换热管，其中后置隔板(1)和前置隔板(3)的厚度参数t可以
根据实际进行调整，对换热管减振降阻影响不大。
图3为只带前置隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；如图所示，由于折流
板(4)的存在，使得换热管的来流在上下两个方向交替变化，如将本专利应用到管壳式换热
器中，应采用如图所示构造，以避免隔板与折流板接触处的流体泄漏。
图4为只带后置隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；如图所示，由于折流
板(4)的存在，使得换热管的来流在上下两个方向交替变化，如将本专利应用到管壳式换热
器中，应采用如图所示构造，以避免隔板与折流板接触处的流体泄漏。
图5为前后都带隔板的换热管在管壳式换热器中安装示意图；如图所示，由于折流
板(4)的存在，使得换热管的来流在上下两个方向交替变化，如将本专利应用到管壳式换热
器中，应采用如图所示构造，以避免隔板与折流板接触处的流体泄漏。
图6是图1中本发明换热管带不同形式的前缘和/或尾缘隔板的结构示意图；其中
图(1)为常规矩形前缘和/或尾缘隔板，图(2)、图(3)为锯齿状隔板前缘和/或尾缘隔板，图
(4)、图(5)为梯形前缘和/或尾缘隔板，图(6)、图(7)波浪状前缘和/或尾缘隔板。
图7是图1中本发明换热管带不同端面截面形状的隔板结构示意图；其中图(1)为
常规矩形端面截面的隔板，图(2)为等腰梯形端面截面的隔板、图(3)为非等腰梯形端面截
面的隔板、图(4)为等边三角形端面截面的隔板、图(5)为非等边三角形端面截面的隔板、图
(6)圆弧形端面截面的隔板、图(7)任意弧形端面截面的隔板。
图8是将图1中本发明换热管的隔板位置平移后的结构示意图；图中将隔板固定位
置进行了平移，平移距离为q。
图9为不同雷诺数下换热管时均阻力系数图。后置隔板的存在，在不同雷诺数下均
明显的降低了换热管所受的阻力，阻力系数降低最大可以达到35％。其原因是因为随着后
置隔板长度的增加，换热管壁面负压区的静压明显上升，使得换热管受到的压差阻力减小，
总的阻力系数减小。
图10为换热管的升力系数频幅分析曲线图。其中，图10A对应Re＝4×103，图10B对
应Re＝2×104，图10C对应Re＝3.6×104；后置隔板的存在，在不同雷诺数下均明显的降低了
换热管所受的升力波动，升力系数幅值降低最大可以达到50％。其原因是因为随着隔板长
度的增加，对于换热管上部因为边界层分离而产生的高负压区，后置短隔板的存在使得该
区域负压明显变小，这是使换热管升力系数波动幅值变小的重要原因。升力系数幅值最大
值对应的频率为换热管尾缘涡脱落频率，后置隔板的存在，也减小了换热管尾缘涡脱落频
率，这对于降低换热管振动也是有利的。
本发明中的换热管，在隔板的长度参数h不变情况下，可根据实际应用情况调节隔
板的厚度参数；例如，隔板厚度可根据热交换器内换热管排布的实际情况选取，设计出与换
热管更为匹配的后置隔板。本发明中的换热管，其圆管、以及隔板(包括前置隔板和后置隔
板)，既可按相关工艺分别制造进行加工，检验合格再组装使用，也可一体成型。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。