具有螺旋形插件换热管的流场及温度场分析

论文摘要

换热器是热力过程中的关键设备,广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机械、交通、航空与航天等领域。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要,而且也是回收能量、节约能量的有效装置,在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用。70年代的世界能源危机,有力地促进了强化传热技术的发展。为了节约能源降低消耗,提高工业生产经济效益,要求开发适用于不同工业过程的高性能换热设备。具有螺旋形插件换热器正是适应现代化生产的需要,在传统管壳式换热器的基础上开发出来的一种新型高效节能的换热器。本文主要采用数值模拟和数学分析的方法对具有螺旋形插件换热器进行系统的研究,主要的研究工作如下：(1)本文将对流传热的场协同理论应用于具有螺旋形插件的换热器的管内传热与流阻特性研究,并将换热性能和无螺旋形插件换热管的换热性能相比较,得到改进后的传热特性结果。具有螺旋形插件换热器管内气体产生以旋转为主要特征的复杂螺旋流动和涡流相混合的气体流动。空气在流动过程中获得较强的旋转扰动,流动速度有所减慢,从而较大程度地改善了传热系数,空气传热得到强化。(2)利用数值模拟的方法,研究了流体流动状态、物性参数和螺旋形插件对换热管内传热与流阻特性的影响,表明具有螺旋形插件的换热管这种强化传热元件的强化传热效果和特点。与无螺旋形插件的换热器性能比较,换热器综合性能得到极大的改善。(3)利用多种螺距螺旋形插件换热管模型进行模拟分析,并和无螺旋形插件换热器相比较,得到螺旋形插件螺距的几何尺寸对流体流动状态、管内传热与流阻特性的影响情况,得出具有螺旋形插件换热管的换热器相对于传统管壳式换热器的强化传热优势和特点,通过对不同螺距螺旋形插件换热管的分析,得到螺旋形插件螺距与换热管换热性能之间的关系,确定螺旋形插件螺距的最佳取值范围。(4)对数值模拟的参数化方法进行了介绍,并通过实例详细的说明利用有限元分析软件ANSYS进行参数化分析的过程和方法。利用ANSYS参数化语言APDL开发出换热管的参数化分析程序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 换热器技术的发展概述
• 1.2 换热器的分类及其特点
• 1.3 换热器研究现状及发展动向
• 1.3.1 国内外研究现状
• 1.3.2 换热器研究与发展动向
• 1.3.3 螺旋流强化壳程换热的研究
• 1.4 课题的研究内容及方法
• 1.4.1 本课题研究主要内容
• 1.4.2 本课题研究方法
• 1.5 小结
• 第2章 螺旋形插件换热管数值模拟基础
• 2.1 换热性能分析理论基础
• 2.1.1 流体力学基础知识简介
• 2.1.2 工程传热学简介
• 2.1.3 有关旋流强化传热机理
• 2.1.4 具有螺旋形插件换热管在强化换热上的优势
• 2.2 物理模型的建立
• 2.2.1 建立物理模型的基本假设
• 2.2.2 物理模型的建立
• 2.3 数学模型的建立
• 2.3.1 质量守恒方程
• 2.3.2 动量守恒方程
• 2.3.3 能量守恒方程
• 2.3.4 湍流模型
• 2.4 小结
• 第3章 螺旋形插件换热管有限元模型建立
• 3.1 数值模拟概述
• 3.1.1 预测的方法
• 3.1.2 数值模拟的优点
• 3.1.3 数值模拟方法简介
• 3.2 有限元软件ANSYS简介
• 3.2.1 ANSYS软件分析模块及应用
• 3.2.2 ANSYS软件应用的技术特点
• 3.2.3 ANSYS/FLOTRAN模块简介
• 3.3 具有螺旋形插件换热管的有限元模型建立
• 3.3.1 实体模型的建立
• 3.3.2 有限元模型的建立
• 3.4 小结
• 第4章 螺旋形插件换热管数值模拟研究
• 4.1 流场和温度场耦合分析与原理简介
• 4.2 有限元模型载荷施加与流体热分析设置
• 4.2.1 有限元模型载荷施加
• 4.2.2 流体热分析设置
• 4.3 螺旋形插件换热管模拟结果分析
• 4.3.1 具有螺旋形插件换热管的温度场结果分析
• 4.3.2 具有螺旋形插件换热器的流场结果分析
• 4.3.3 有无螺旋形插件换热管的流场及温度场性能对比
• 4.4 小结
• 第5章 螺旋形插件螺距优化分析
• 5.1 相同工况下不同螺距插件换热管性能模拟
• 5.1.1 螺旋形插件螺距的选定
• 5.1.2 具有螺旋形插件换热管性能模拟的实现
• 5.2 不同螺距螺旋形插件对传热性能的影响
• 5.2.1 螺旋形插件螺距对换热管流场的影响关系
• 5.2.2 螺旋形插件螺距对温度场的影响关系
• 5.3 应用APDL语言进行参数化分析设计
• 5.3.1 参数化技术
• 5.3.2 参数化程序的实例
• 5.4 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢