蒸汽蓄热器喷嘴的CFD研究及结构优化

论文摘要

蒸汽蓄热器是一种发展潜力巨大的节能设备,其蓄热性能体现在其核心构件—蒸汽喷嘴上,蒸汽蓄热器喷嘴与蒸汽喷射器内的喷嘴相似,都是用来降压增速的流体机械。本文通过对蒸汽喷嘴的工况分析,对蒸汽喷嘴进行结构设计,并利用Fluent软件平台对其内部流场进行数值模拟分析,在此基础上实现结构优化,以提高蒸汽喷嘴的喷射效率。本文对蒸汽蓄热器喷嘴的技术革新及蒸汽蓄热器的推广应用具有一定的指导意义和借鉴价值。主要研究工作如下:(1)查阅了大量的国内外相关文献,针对国内蒸汽蓄热器喷嘴研究滞后,仅有少量文献局限于实验研究的状况,提出在CFD环境下通过数值模拟分析进行结构优化。(2)通过对蒸汽蓄热器充汽阶段对流传质传热过程的热水力特性研究,确定喷嘴出口的蒸汽流速度是蒸汽蓄热器内水体紊流扰动主要强制驱动力,是蓄热效率的主要影响参数。(3)对喷嘴结构进行分析,确定Laval喷嘴是最佳结构并在此基础上进行结构设计,简化模型,建立几何模型进行网格划分。(4)比较分析各种湍流模型,确定最适应模型,选择适当的离散格式,并进行相应的边界参数设定,使数值模拟尽量接近实际工况,反映喷嘴内部蒸汽的真实流动规律。(5)调整参数对喷嘴流场进行大量数值模拟,对模拟结果进行类比分析,提出喷嘴结构进行优化设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 蒸汽喷嘴的研究现状
• 1.2.1 蒸汽喷嘴喷射蓄热机理
• 1.2.2 蒸汽喷嘴研究进展
• 1.3 计算流体动力学（CFD）概述
• 1.3.1 什么是计算流体动力学
• 1.3.2 计算流体动力学的特点
• 1.3.3 计算流体动力学的工作步骤
• 1.3.4 Flent软件包简介
• 1.4 课题研究方案
• 1.5 本章小结
• 第2章 Laval喷嘴的结构设计及建模分析
• 2.1 Laval喷嘴的结构设计
• 2.1.1 喷嘴面积比的设计
• 2.1.2 喷嘴轴向尺寸的设计
• 2.2 喷嘴的建模分网
• 2.2.1 网格的几何结构
• 2.2.2 网格配置方案
• 2.2.3 网格的选择
• 2.2.4 计算区域的网格生成方法
• 2.2.5 数值模拟模型的建立和计算区域网格布置
• 2.3 本章小结
• 第3章 蒸汽喷嘴的流体动力学模型
• 3.1 流体的本构方程
• 3.2 控制方程
• 3.2.1 N-S方程
• 3.2.2 雷诺平均N-S方程
• 3.2.3 湍流模型
• 3.3 差分方法
• 3.3.1 差分的性质
• 3.3.2 有限差分法
• 3.3.3 有限体积法
• 3.4 边界条件
• 3.4.1 喷嘴进口边界条件
• 3.4.2 喷嘴出口边界条件
• 3.4.3 喷嘴壁面边界条件
• 3.4.4 喷嘴轴对称边界条件
• 3.5 本章小结
• 第4章 蒸汽喷嘴流场数值计算结果与分析
• 4.1 Laval喷嘴参数及网格
• 4.2 湍流模型在喷嘴流场数值模拟中的应用比较
• 4.2.1 收敛速度
• 4.2.2 质量流量误差
• 4.2.3 马赫数误差
• 4.3 数值计算结果的对比分析
• 4.3.1 流场分析
• 4.3.2 不同状态参数的对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 蒸汽喷嘴的结构优化设计
• 5.1 收缩角和扩张角的优化设计
• 5.2 喷嘴出口截面的优化设计
• 5.3 喷嘴内壁曲面的优化设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果