大气式冷凝器主要应用于船舶蒸汽系统,承担着回收二次蒸汽及锅炉多余蒸汽的任务,是保障船舶蒸汽系统稳定、经济运行的重要设备。其壳侧流动和传热过程受诸多因素影响,主要包括管束布置方式、管间距和不凝结气体等,这些因素可能会导致传热恶化以及管束振动等问题,这给冷凝器的设计和维护工作带来了诸多困难。本文对大气式冷凝器壳侧流场进行了研究,分析了以上因素对冷凝过程的影响,对大气式冷凝器的设计和维护工作具有重要意义。本文基于ANSYS FLUENT建立了蒸汽冷凝过程数学模型,通过文献中的水平单管外蒸汽冷凝实验数据对模型的准确性及精确度进行了验证,分析了管外周向流动与传热的不均匀性,研究了蒸汽流速和管径等因素对冷凝过程的影响。在此基础上研究了大气式冷凝器壳侧冷凝过程的流动、传热和阻力特性,分析了管束布置方式、管间距和不凝结气体对冷凝过程的影响。在水平单管模型下,根据管外流动规律揭示了蒸汽边界层分离现象,分析了边界层分离角度与雷诺数之间的关系,得到了水平管外周向传热分布规律:周向传热系数波动约为2 kW/(m~2·K),周向壁温波动约为4.5K。传热系数随热流密度和管径的增加逐渐减小,随蒸汽流速的增加而增加。在顺列和错列的两种管束布置方式下,大气式冷凝器壳侧两相流速逐排降低,传热系数和压降也逐排降低,错列布置下的各排传热系数和压降均高于顺列布置下的各排传热系数和压降,两种布置方式下传热系数和压降的差别随管排数的增加逐渐减小。大气式冷凝器壳侧整体平均传热系数随管间距的增加而减小,当蒸汽中存在空气时,传热系数明显下降,当空气质量分数为1%时,顺列布置下的管束平均传热系数仅为同参数下纯蒸汽冷凝传热系数的49.34%,错列布置下的管束平均传热系数仅为同参数下纯蒸汽冷凝传热系数的50.27%,当空气含量继续增加时,传热系数继续减小,但空气含量越小,传热系数对空气含量越敏感。