极地船壳管式换热器中海水—冰晶两相流的流动与换热特性研究

发布时间：2021-05-24 20:00

　　北极航道是联系东亚、欧洲及北美最经济便捷的航道,因此船舶在极地环境下的航行引起了各国研究者的广泛关注和研究。换热器是船舶海水系统中的关键设备,换热器的稳定运行是保障船舶安全的关键因素。本文利用CFD技术对极地船壳管式换热器在极地环境下的内部三维流场进行了数值模拟,对换热器壳程结构参数进行了优化,并对不同初始条件下海水-冰晶两相流在换热管内（管程）的流动与换热特性进了分析。基于颗粒动力学理论建立了适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,通过相间作用力对离散相和连续相进行耦合,使用相间传热传质模型模拟两相之间的质量和热量传递,使用各相k-ε湍流模型以充分考虑相间相互作用对两相流湍流特性的影响。使用k-ε湍流模型作为壳程淡水单相流的数学模型。为了避免因换热管壁面恒壁温或恒热流边界条件带来的计算误差,基于Scheme语言编写FLUENT脚本程序实现换热器壳程和管程的分区求解、换热管壁面耦合,使换热管壁面温度及热流密度成为计算结果的一部分。将数值计算结果同经验公式计算结果及实验数据进行对比,从而验证了数值计算的准确性。通过对不同折流板数目下换热器壳程速度场、压力场、温度场的分析,采用j-f... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 壳管式换热器国内外研究现状
        1.2.2 冰浆流国内外研究现状
        1.2.3 国内外研究现状总结
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 管程海水-冰晶两相流及壳程淡水单相流数值模拟理论基础
    2.1 海水-冰晶两相流数学模型
        2.1.1 欧拉-欧拉双流体模型
        2.1.2 相间传热传质模型
        2.1.3 颗粒动力学理论
        2.1.4 湍流模型
    2.2 淡水单相流数学模型
    2.3 壁面函数
    2.4 有限体积法
    2.5 本章小结
第3章 换热器数值模拟及准确性验证
    3.1 壳管式换热器几何模型
        3.1.1 换热器几何建模
        3.1.2 网格划分
        3.1.3 网格无关性验证
    3.2 海水-冰晶及淡水物性参数
        3.2.1 海水物性参数
        3.2.2 冰晶物性参数
        3.2.3 淡水物性参数
    3.3 边界条件设置
        3.3.1 耦合边界条件
        3.3.2 其他边界条件
    3.4 计算求解
        3.4.1 求解设置
        3.4.2 计算求解内容
    3.5 数值模拟的准确性验证
    3.6 本章小结
第4章 折流板数目对壳程流动换热特性的影响
    4.1 换热器性能分析方法
        4.1.1 场协同理论分析法
        4.1.2 换热量与流动阻力损失相结合的分析法
        4.1.3 熵分析法
        4.1.4 j-f因子分析法
    4.2 折流板数目对换热器壳程流动换热的影响
        4.2.1 折流板数目对换热器壳程速度场的影响
        4.2.2 折流板数目对换热器壳程温度场的影响
        4.2.3 折流板数目对换热器壳程压力场的影响
        4.2.4 折流板数目优化
    4.3 本章小结
第5章 海水-冰晶两相流在换热管内的流动与换热特性
    5.1 换热管进口海水流速对海水-冰晶流动换热特性的影响
        5.1.1 换热管进口海水流速对冰晶颗粒分布的影响
        5.1.2 换热管进口海水流速对冰晶相变的影响
        5.1.3 换热管进口海水流速对两相流换热特性的影响
        5.1.4 换热管进口海水流速对两相流压降的影响
    5.2 换热管进口含冰率对海水-冰晶流动换热特性的影响
        5.2.1 换热管进口含冰率对冰晶颗粒分布的影响
        5.2.2 换热管进口含冰率对冰晶相变的影响
        5.2.3 换热管进口含冰率对两相流换热特性的影响
        5.2.4 换热管进口含冰率对两相流压降的影响
    5.3 壳程流体温度对海水-冰晶流动换热特性的影响
        5.3.1 壳程流体温度对冰晶颗粒分布的影响
        5.3.2 壳程流体温度对冰晶相变的影响
        5.3.3 壳程流体温度对两相流换热特性的影响
        5.3.4 壳程流体温度对两相流压降的影响
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间获得与学位论文相关的科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Supramax型散货船北极航道的运营经济性模糊综合评判[J]. 何皛磊,张海文.  船舶工程. 2017(S1)
[2]冰晶颗粒在极地船壳管式换热器海水管内的分布和融化特性的数值模拟研究[J]. 徐立,黄振飞,江焕宝,张来来.  船舶工程. 2017(04)
[3]基于Fluent的管壳式换热器数值模拟及优化[J]. 李青,孟玮,王鹏.  电子机械工程. 2016(04)
[4]基于Nimbus-7和DMSP卫星资料的北极海冰变化特征分析[J]. 沈春,施伟来.  海洋预报. 2015(04)
[5]北极油气资源开发对世界能源格局和中国的潜在影响[J]. 朱明亚,平瑛,贺书锋.  海洋开发与管理. 2015(04)
[6]对我国商船首航北极东北航道的回顾与展望[J]. 张晓,赵庆爱.  中国航海. 2015(01)
[7]管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究[J]. 吕金丽,戈锐,李想,张玉宝.  汽轮机技术. 2012(05)
[8]折流板换热器性能影响因素数值模拟研究[J]. 刘敏珊,杨帆,董其伍,欧阳克.  郑州大学学报(工学版). 2010(01)
[9]动态冰浆流动特性分析[J]. 杨帆,张曼,吴双茂,方贵银.  低温与超导. 2007(05)
[10]折流板换热器壳程流场数值模拟与结构优化[J]. 刘敏珊,董其伍,刘乾.  化工设备与管道. 2006(02)

博士论文
[1]管壳式换热器强化传热及管板强度研究[D]. 刘久逸.北京化工大学 2017
[2]冰浆的管道输送热流动特性[D]. 王继红.大连理工大学 2013
[3]浆氮的制备及其在水平管内的流动与相变换热特性研究[D]. 江芋叶.上海交通大学 2013

硕士论文
[1]冰浆流动特性及其热力学分析[D]. 谢小凯.湖南科技大学 2017
[2]管翅式换热器中冰浆相变换热特性[D]. 龙有为.大连理工大学 2016
[3]船用换热器流动与传热的三维流场数值模拟研究[D]. 王冶.上海交通大学 2013
[4]北极东北航道沿途冰况信息应用研究[D]. 赵津.大连海事大学 2012
[5]冰浆在板式换热器中的流动与传热研究[D]. 徐陈芸.华中科技大学 2012
[6]二元冰输送过程的摩阻与传热特性研究[D]. 魏娟.上海海事大学 2005
[7]船舶中央冷却系统的分析与初步研究[D]. 潘伟昌.哈尔滨工程大学 2001



本文编号：3204777