基于热流固耦合的换热器管束数值模拟分析

发布时间：2017-05-11 04:02

  本文关键词：基于热流固耦合的换热器管束数值模拟分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：管壳式换热器由于其结构坚固、可靠性高以及操作灵活等特点在工业生产过程中广泛应用。换热管是管壳式换热器中最为薄弱的部件,温差引起的热应力以及高速流体引发的换热器管束振动都极易造成换热管的损坏。因此,对实际工作状态下的换热管束进行研究,对提高换热器寿命以及经济效益都具有重大的实际意义。本文以某管壳式空气换热器作为研究对象,采用多物理场耦合的方法,建立该空气换热器的有限元模型并进行热流固耦合分析。通过FLUENT软件对换热器管程、壳程内流场进行数值模拟,将得到的流场数据通过耦合面传递至结构分析中,并作为载荷施加在换热器模型上,对比不同载荷条件下的换热管束的应力分布。结果表明,温差引起的热应力对换热管束的总应力分布影响比较大,而流体压力载荷对换热管束的影响很小。根据换热器流场模拟的结果,计算出换热管所受流体激振力,并作为载荷施加到简化后的换热管有限元模型上,模拟出换热管应力分布及变化。结果表明,旋涡脱落引起的激振力使得壳程入口处的换热管产生了较大的循环应力,容易引发换热管振动,使得换热管束发生疲劳破坏。采用动网格技术和双向流固耦合的方法对V=30m/s时壳程入口处的流体和换热管束进行了分析。结果表明流体以该流速流动时,换热管束应力以及变形都很小,并在很短时间内达到平衡,判断流体弹性不稳定不会引起换热管束的剧烈振动,对换热管束的影响很小。综上所述,该空气换热器管束失效的主要原因是由温差引起的热应力,而壳程流体流动诱导换热管束振动加速了换热管束的失效,其振动机理是旋涡脱落和湍流抖振,流体弹性不稳定不会引起换热管束振动。由于温差引起的热变形使换热管束与隔板接触,并产生了较大的应力集中,当管束振动时管壁与隔板孔之间碰撞接触,产生了较高的应力,使换热管束在隔板部位因磨损失效或者剪切失效,直至管壁开裂。
【关键词】：换热器 换热管束 热流固耦合 流体诱导振动
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 换热器概况10-11
• 1.2 国内外换热器标准规范及研究现状11
• 1.3 热流固耦合研究的发展状况11-12
• 1.4 流体诱导振动的研究概况12-14
• 1.5 课题主要研究内容14-16
• 2 流体力学基础和数值模拟简介16-23
• 2.1 流体力学与计算流体力学基础16-19
• 2.1.1 控制方程16-17
• 2.1.2 湍流模型17-18
• 2.1.3 流体控制方程的初始条件及边界条件18-19
• 2.2 数值模拟简介19-23
• 2.2.1 有限元法概论19-20
• 2.2.2 ANSYS Workbench数值模拟软件简介20
• 2.2.3 热流固耦合控制方程20-21
• 2.2.4 ANSYS热流固耦合分析21-23
• 3 换热器的热流固耦合数值模拟分析23-43
• 3.1 换热器主要结构尺寸及工艺条件23-24
• 3.2 换热器的三维有限元模型24-26
• 3.2.1 模型简化24-25
• 3.2.2 有限元模型网格划分25-26
• 3.3 换热器管程和壳程流场数值模拟分析26-33
• 3.3.1 湍流模型26-27
• 3.3.2 边界条件计算27-28
• 3.3.3 流场计算方法28
• 3.3.4 换热器流场数值模拟分析结果28-33
• 3.4 换热器温度场分析33-34
• 3.4.1 温度场边界条件33
• 3.4.2 热流固耦合温度场结果33-34
• 3.4.3 换热管束温度场分析34
• 3.5 换热器应力场数值模拟分析34-41
• 3.5.1 换热器载荷边界条件34-35
• 3.5.2 热流固耦合应力场结果及分析35-41
• 3.6 本章小结41-43
• 4 换热管束的流体诱导振动计算方法43-53
• 4.1 流体诱导换热器管束振动机理43-45
• 4.2 换热管束固有频率的理论计算45-46
• 4.3 换热管束固有频率的有限元计算46-50
• 4.3.1 模态分析基础46-47
• 4.3.2 换热管束模型简化与求解47-49
• 4.3.3 结果分析49-50
• 4.4 流体诱发换热管束振动的理论计算50-52
• 4.4.1 流体诱发振动计算公式50-51
• 4.4.2 流体诱发换热管束振动的判断51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 5 换热管束的流体诱导振动有限元分析53-71
• 5.1 圆柱绕流的数值模拟53-57
• 5.1.1 计算模型53
• 5.1.2 结果分析53-57
• 5.2 圆管绕流旋涡诱导换热管束振动的数值模拟57-62
• 5.2.1 载荷计算57
• 5.2.2 模型建立与求解57-58
• 5.2.3 数值模拟结果分析58-62
• 5.3 流体弹性不稳定性数值模拟分析62-70
• 5.3.1 动网格基础62-63
• 5.3.2 双向流固耦合的有限元模型63-65
• 5.3.3 数值模拟结果及分析65-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 郭崇志;周洁;;固定管板式换热器的温差热应力数值分析[J];化工机械;2009年01期

  本文关键词：基于热流固耦合的换热器管束数值模拟分析，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：356171