随经济不断发展,能源需求量急剧增加,能源消耗与环境保护之间的矛盾日益突出。管壳式换热器以结构牢固、适应性强、操作简单等优点被广泛应用于过程工业,新型高效换热器的开发一直是研究的重点。本文在扭转流换热器的研究基础上深化分析壳程流动均匀性,并提出新型管束支撑结构,利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法对壳程性能进行研究。主要研究内容和结论如下:1、以速度标准偏差表征壳程流体流动均匀性,分析扭转流换热器结构参数对流场均匀性的影响,并对比分析不同支撑结构壳程流动状况。结果表明:随导流板布置间距的增加、倾斜角度的增加及布置宽度的减小,流体流动更加均匀,且利用极差分析导流板的倾斜角度对流动的均匀性影响更大。2、结合类梯形导流板安装制造工艺及壳程流态变化,提出U型导流板支撑结构;多块导流板周向布置为一组,邻组导流板沿管长方向等间距排布。壳程流体经导流板被分割为多股斜向流动,整体呈现螺旋流态,均匀冲刷换热管束,使壳程流体在较低的流阻环境下进行热量传递。3、建立U型导流板换热器整体模型,分析不同工况、不同测量截面处的平均速度、压降、无因次温度变化规律。结果表明:U型导流板换热器壳程流体在第二块导流板至最后一块导流板之前的区域为流体充分发展段,且充分发展段不随工况的变化而变化。4、建立扭转流换热器与U型导流板换热器全截面周期模型,在相同泵工条件下对比分析壳程性能变化,结果表明:U型导流板换热器较扭转流换热器壳程压降降低45%-49.6%,传热系数降低10.5%-15.4%,流动均匀性提高2.4%-4.0%,综合性能提高6.6%-22.1%,且U型导流板速度与压力梯度场有较好的协同性。分析U型导流板结构参数及布置方式对换热器壳程性能的影响,数据表明:导流板布置角度与对称布置方式对壳程性能影响较大,导流板布置间距影响次之,导流板宽度及旋转布置方式影响最小;从壳程流体流线分布看,随导流板布置角度、间距、宽度的增加,流线连续性较好;当导流板对称布置连续性最差,但会有较大压降与较高传热系数。5、设计搭建管壳式换热器冷模实验平台,制作有机玻璃实验模型,利用LDV对壳程流场不同位置处流速进行测量。数据表明:实验与模拟数据存在较好的吻合度,其误差在工程允许的范围内,验证了数值模拟方法与结果的准确性与可靠性。