哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
管束通道广泛应用于电力系统中的大型换热设备，复杂的结构导致其内部
流动换热现象难以评估与预测，而传统的状态评估与预测方法受限于有限的监
测数据和缺乏对物理模型的准确认知。近年来高速发展的数字化技术如数字孪
生技术已在工业领域形成较多的落地应用，所以探究数字化技术在气冷管束通
道流动换热特性研究中的应用可为其在大型换热设备中的应用提供借鉴思路和
技术路径。本文自主设计并搭建气冷管束通道流动换热特性实验系统，通过实
验研究和数值模拟研究的方法探究管束通道的流动换热特性并揭示定位格架对
管束通道流动换热特性的影响及机理，最终耦合实验系统和数值模型及相关数
据设计并初步搭建气冷管束通道流动换热特性数字化系统。
首先，设计并搭建了气冷管束通道流动换热特性实验系统，开展了气冷管
束通道流动阻力特性的实验研究，研究表明热态条件下摩擦阻力系数变化趋势
与冷态条件下相似但数值偏大，需要进行雷诺数和温度的修正才能与冷态条件
下数值对照较好，基于实验数据分别建立了摩擦阻力系数和局部阻力系数的实
验关联式。同时开展了气冷管束通道对流换热特性的实验研究，研究表明现有
管束通道换热系数计算关系式受自然对流影响，在低雷诺数工况下对换热系数
的预测偏低10%以上，因此基于实验数据建立了换热系数实验关联式且相对误
差在±5%以内。此外还探究了定位格架对管束通道流动换热特性的影响，研究
表明定位格架会增强其下游流体的换热特性并均匀化其下游管束壁温。
其次，开展了气冷管束通道流动换热特性的数值模拟研究，在验证网格无
关性和模型正确性的基础上，开展了光滑管束通道流动换热特性研究，探究了
雷诺数与加热功率对光滑管束通道内流场与温度场的影响；在此基础上进一步
开展了含定位格架管束通道流动换热特性研究，研究表明由定位格架的内部凸
起和搅浑翼结构引发的流体横向流动，通过增强不同子通道间流体的动量与能
量交换，从而增强定位格架下游流体换热效果并均匀化流体温度，这种效果会
持续到定位格架下游一段距离并随雷诺数的增加而增强。
最后，基于实验系统和数值模型及相关数据设计并初步搭建了气冷管束通
道流动换热特性数字化系统，结合系统需求对系统架构、数据库和功能模块进
行设计，实现了对实验系统和实验数据的智能监测和对实验工况下管束通道速
度场和温度场的快速预测。
关键词：气冷管束通道；数字化系统；实验研究；数值模拟研究
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Tubebundlesarewidelyusedinlarge-scaleheatexchangeequipmentinpower
systems.Thecomplexstructureofthesebundlesmakesitchallengingtoevaluateand
predicttheinternalflowandheattransferphenomena.Traditionalmethodsof
conditionassessmentandpredictionarelimitedbytheavailabilityofmonitoringdata
andalackofaccurateknowledgeaboutthephysicalmodels.Inrecentyears,therapid
developmentofdigitaltechnologies,suchasdigitaltwintechnology,hasledto
numerouspracticalapplicationsintheindustrialfield.Therefore,exploringthe
applicationofdigitalizationtechnologyinthestudyofflowand