在现代大型电厂凝汽式汽轮机的设备组成中,凝汽器是很重要的一部分,凝汽器稳定的真空度决定了凝汽器的运行效率,甚至影响整个机组的效率。蒸汽在凝汽器管束区域的流场主要由管束布置型式决定,管束排列方式极大影响蒸汽流场以及含有不凝结气体的蒸汽的凝结换热,所以,合理的凝汽器管束布置设计有助于维持凝汽器的真空度,并提升汽轮机的效率。蒸汽在凝汽器管束区域的流场优化研究主要包括通过管束布置的轮廓线改造,在管束区域、蒸汽通道增设导流板或隔板或者改变管束的排列方式。以往的研究以及工程经验表明凝汽器管束布置会影响蒸汽流场及热负荷分布,但目前尚无关于某种类型管束比另一种更优越的结论。对于在大型凝汽器管束内部区域的管束排列方式的研究,到目前为止并没有一个通用的指导依据以及合适的模型。本文主要目标为改善凝汽器管束布置方式以及为凝汽器管束布置设计提供理论依据,由此开展了以下几个方面的研究:第一部分提出凝汽器壳侧蒸汽流场与换热数值模型,根据冷凝相变换热方程推导出的蒸汽冷凝量作为质量源项,以FLUENT中的用户自定义函数的形式添加到连续性方程中进行求解,并添加相应的动量源项建立控制方程组。把凝汽器壳侧流体流动等效为汽气混合物在凝汽器各个管束主冷区域内的的单相二维流动。第二部分以某大型电厂汽轮机的1000MW凝汽器为研究对象,对第一部分提出的数值模型进行验证。依据厂家所提供的设备几何参数和运行参数,在二维平面上建立管束模型。为了更好探讨每块管束区域的传热情况,从蒸汽入口到抽气口将均匀管束布置模型分为12个区域,并设置合理的边界条件。将得到的数值模拟结果与厂家设计的凝汽器运行参数进行对比,对比验证模型准确性。第三部分以均匀和非均匀管间距排列方式模型为研究对象,分别建立小管束布置模型。对比蒸汽在均匀和非均匀管间距排列方式的流场发现,在同样入口流速条件下,蒸汽在非均匀管束布置中的汽阻更小,速度的分布更加均匀,速度波动更小。在不同入口流速的工况中,可以发现空气积聚位置越靠近出口,蒸汽在管束中的换热性能越好,因此可以根据空气在管束中积聚的位置,来改善整体管束布置。第四部分为实现1000MW机组冷端优化为目标,解决蒸汽在均匀管束布置中蒸汽流速波动较大,汽阻比较高的问题,以均匀管束布置为基础,提出非均匀管束布置方式,在相同的总换热面积和相同的边界条件下,对比分析蒸汽在这两种管束布置方式的流场与换热性能。含有不凝结气体的蒸汽在凝汽器内部流动时,管束区域汽阻较大,这将严重影响冷凝器的性能。根据前一章的管束布置优化依据,对于空气积聚严重的区域,蒸汽流速不均匀的区域进行详细分析。由于凝汽器入口处压降变化较大,蒸汽凝结情况较为剧烈,因此减少了蒸汽入口区域的管束每排的管排数量。在保证整体换热面积不变的情况下,将减少的这些凝汽器冷却管移动到管束底部,以此来减少空气积聚的情况。在额定漏空气量工况下,改进后的非均匀管束模型相比优化前,蒸汽进出口压降下降了62.40%,蒸汽的冷凝率提升了0.64%,传热系数提升了2.78%。并且改进后的非均匀管束布置方案,与均匀管束布置相比,汽阻较小。第五部分以双峰多层管束布置为基础,其管束布置主要特点是管间距分布不均匀,外疏内密,因此不适用多孔介质模型,基于第二部分提出的数值模型,对蒸汽在双峰管束布置中的流动与换热特性进行分析,与均匀管束布置相比,双峰多层管束布置的换热性能较低,汽阻较大。为了不能有过多蒸汽流向空冷区,保证蒸汽从管束进口到抽气口,蒸汽流场更为均匀,将双峰多层管束布置的空冷区位置距离底部的高度提升。改进后的双峰多层管束模型相比改进前,蒸汽流场更加均匀,压降下降了51.37%,冷凝率提升了3.88%,传热系数提升了11.14%。