翅片管换热过程数值模拟及其结构优化

发布时间：2017-04-27 05:06

  本文关键词：翅片管换热过程数值模拟及其结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 本文将理论分析、数值计算和实验研究三种方法相结合，以采用切削—挤压复合成形新工艺加工的翅片管为研究对象，对其换热过程进行数值模拟并对其结构进行优化设计。 对翅片管的换热过程进行理论分析，提出了翅片管换热分析中采用的理论模型，并对有限元模拟中遇到的相关问题进行处理。这些方法主要有：(1)为了便于建立模型并提高计算速度，对于实际工程中采用的长径比特别大的换热管采取截取有限长度的方法并建立二维对称简化模型；(2)提出采取保留冷流体入口端，截取有限长度的方法施加载荷；(3)适当延长翅片管的出口端和入口端，以便获得稳定工况的数值解。 利用ANSYS有限元程序对翅片管换热器的换热过程进行数值模拟，确定了换热过程中翅片管的温度场和热流量梯度分布状况，对翅片管换热器的多组分流场进行计算，给出了逆流和顺流两种情形下翅片管结构参数对换热效果的影响规律，并利用ANSYS提供的优化技术编写程序对翅片管进行结构优化设计，为其今后在工业中的设计及使用提供了重要依据。 结合实验方法对数值模拟结果进行研究，表明数值模拟结果与实验结果比较吻合。因此，数值模拟技术是研究传热学问题理想而又有效的手段。
【关键词】：切削-挤压复合成形 翅片管换热器 有限单元法 数值模拟 结构优化 ANSYS
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TK124
【目录】：

• 1 绪论9-18
• 1.1 本课题的研究背景9-14
• 1.1.1 换热器9-11
• 1.1.2 翅片管换热器的研究状况11-12
• 1.1.3 数值传热学的兴起与发展12
• 1.1.4 散热器整体肋管制造技术12-14
• 1.2 课题来源及其研究意义14-15
• 1.3 分析工具与研究方法15-16
• 1.3.1 有限单元法15
• 1.3.2 有限元分析软件ANSYS15-16
• 1.4 本文主要研究内容16-18
• 2 翅片管传热理论模型18-30
• 2.1 流动与传热控制方程18-23
• 2.1.1 质量守恒方程(连续性方程)18-19
• 2.1.2 动量守恒方程19-22
• 2.1.3 能量守恒方程22-23
• 2.1.4 控制方程的通用形式23
• 2.2 控制方程的离散化23-25
• 2.3 翅片管传热理论模型25-29
• 2.4 本章小节29-30
• 3 翅片管传热过程的有限元模型30-41
• 3.1 计算方程30-33
• 3.2 插值函数与形状函数33-36
• 3.3 单元积分计算36-38
• 3.3.1 内部单元和第一类边界单元的积分计算36-38
• 3.3.2 第三类边界单元的积分计算38
• 3.4 有限单元的总体合成38-39
• 3.5 本章小节39-41
• 4 有限元分析41-52
• 4.1 ANSYS传热分析模块FLOTRAN CFD41-42
• 4.1.1 FLUID141单元41-42
• 4.1.2 FLOTRAN分析的主要步骤42
• 4.2 耦合传热问题的数值计算42-44
• 4.2.1 耦合传热问题42-43
• 4.2.2 耦合传热问题的数值解法43-44
• 4.3 建立模型和计算44-47
• 4.3.1 充分发展对流换热44
• 4.3.2 翅片管的结构参数44-46
• 4.3.3 翅片管换热器46-47
• 4.3.4 翅片管换热器几何模型47
• 4.4 网格的划分47-48
• 4.5 边界条件的处理48
• 4.6 载荷的施加48-50
• 4.7 设置材料特性50
• 4.8 求解50-51
• 4.8.1 设置迭代次数和松弛因子50
• 4.8.2 收敛监测50-51
• 4.8.3 参数化编程求解51
• 4.9 本章小节51-52
• 5 计算结果与数据处理52-64
• 5.1 数值计算结果52-54
• 5.1.1 逆流情况下数值计算结果52-53
• 5.1.2 顺流情况下数值计算结果53-54
• 5.2 实验分析结果54-56
• 5.2.1 实验原理54-55
• 5.2.2 实验结果与数值计算结果对比55-56
• 5.3 误差分析56
• 5.4 数据分析与处理56-57
• 5.4.1 流体的温度场分布56-57
• 5.4.2 翅片管径向热流量梯度57
• 5.5 翅片管结构参数对换热效果的影响57-60
• 5.5.1 翅片间距对换热效果的影响57-59
• 5.5.2 翅片高度对换热效果的影响59
• 5.5.3 翅片厚度对换热效果的影响59-60
• 5.6 优化结果60
• 5.7 基于有限元法的翅片结构参数优化60-63
• 5.7.1 ANSYS的优化设计方法60-61
• 5.7.2 优化设计步骤61-62
• 5.7.3 翅片管结构优化62-63
• 5.8 本章小节63-64
• 6 总结与展望64-66
• 6.1 工作总结64-65
• 6.2 研究展望65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-72
• 附录72-83
• 附录1. 水的物性表72-73
• 附录2. 有限元程序73-77
• 附录3. 实验分析结果77-78
• 附录4. 优化程序78-83
• 攻读硕士学位期间发表论文83

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张来;杜小泽;杨立军;冯丽丽;杨勇平;;开孔矩形翅片椭圆管流动与换热特性的数值研究[J];工程热物理学报;2006年06期

2 李锋平;刘金祥;陈晓春;徐稳龙;;空气处理设备动态换热特性分析[J];流体机械;2011年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 李平;高压给水加热器温度场及流场的CAE分析研究[D];上海交通大学;2007年

2 余美玲;新型开架式内螺旋管汽化器的数值模拟和优化[D];华南理工大学;2012年

3 李文泷;圆形外翅片管强化换热性能分析与模拟[D];东北大学;2010年

4 温明霞;一种吸收空气中微量SO_2气体净化器的研发[D];华南理工大学;2013年

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本文编号：329958