加热炉炉管多场耦合力学分析

论文摘要

真空加热炉以其造价低、能耗低、效率高、自动化程度高等优势已成为目前油田传统加热炉的理想换代产品,因而其安全性也更加引起人们的关注。全面考虑炉管的工作环境(即管内、外流体)对炉管力学行为的影响,具有较高的应用价值。本文根据数值传热理论与热应力理论,验证了分别采用流体计算软件CFX和有限元分析软件ANSYS对结构进行共轭传热分析与热应力分析的正确性。在对多场耦合分析模型选取的问题上,本文利用CFX软件中的GGI(界面网格)法则,通过对耦合界面网格匹配与不匹配两种模型进行计算,对大型复杂结构采用耦合界面网格不匹配模型来进行数值模拟。在上述验证分析的基础上,根据炉管的实际工作状态,分别建立了三种炉管结构(直管段、弯管段、盘管)、管内流体、环空流体以及筒体的三维有限元力学分析模型。考虑界面力及温度传递,综合利用ANSYS软件和CFX软件,实现了对加热炉炉管的多场耦合数值模拟。又研究了管内流体的粘度和流速对盘管多场耦合效应的影响。结果表明:当粘度较小时,传热系数随着流速的升高而升高,且变化幅度较大;当粘度较大时,传热系数随着流速的升高而升高,但是变化幅度较小。随着粘度和流速的增加,盘管等效应力、总位移最大值所受的影响均较小。即管内流体粘度、流速对共轭传热分析影响明显,对多场耦合效应的影响不明显。本论文研究成果,更加科学地描述了加热炉炉管的力学特性,为加热炉合理设计和安全评定提供新的研究方法。同时,多场耦合数值模拟方法也可应用于石油化工、钻井采油等领域相关设备的分析研究中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 加热炉炉管多场耦合理论
• 1.1 加热炉管内流体理论
• 1.1.1 流体动力学基本控制方程
• 1.1.2 控制方程的通用形式
• 1.1.3 基于有限体积法的控制方程的离散
• 1.2 加热炉炉管空间问题的基本理论
• 1.3 多场耦合理论
• 1.3.1 耦合传热理论
• 1.3.2 流固热耦合理论
• 第二章 加热炉炉管多场耦合分析
• 2.1 加热炉炉管多场耦合分析模型研究
• 2.2 加热炉直管段力学分析
• 2.2.1 验证计算
• 2.2.2 多场耦合数值模拟
• 2.3 加热炉弯管段多场耦合分析
• 2.4 加热炉盘管多场耦合分析
• 第三章 粘度和流速对加热炉炉管多场耦合影响研究
• 3.1 粘度、流速对共轭传热分析的影响
• 3.2 粘度对多场耦合分析的影响
• 3.3 流速对多场耦合分析的影响
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 论文摘要