板式换热器板片的流动特性及热固耦合分析

发布时间：2017-10-06 11:35

  本文关键词：板式换热器板片的流动特性及热固耦合分析

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【摘要】：换热器装置是工业传热中应用广泛的设备。本论文主要研究的是人字形波纹板板式换热器,流体介质在波纹板间的传热机理和流动特性是评价板式换热器性能的重要指标,我们有必要对二者进行深入的研究。但是板片间网状流道内介质的相关特性十分复杂,仅依靠实验方法无法清晰认识其内部的流动及换热特性。随着CFD(Computational Fluid Dynamics)技术及相应软件的日趋成熟、完善,换热器流体仿真计算具备了有效解决途径。但目前国内有关换热器板片通道内流体特性数值计算的研究还非常有限,原因之一就是换热器板片三维模型的开发难度较大,而换热器板片三维造型对换热器仿真分析、设计和开发又有重要意义。针对上述问题,参照厂家提供的国外先进换热器板片,文中完成了换热器板片的整体三维模型重构设计,并对建模质量做出实验检侧和系统评价,最后实现了换热器板片关键区域内的流体仿真计算。具体研究内容如下。1.采用3D SCANNER扫描仪获取换热器板片的点云数据,参考逆向工程的思想方法,按照换热器板片不同功能区分割点云,依照分割后的点云数据在造型软件中完成三维造型,生成完整的换热器板片三维模型。2.搭建实验平台,采用测量精度较高的三坐标测量机系统对换热器板片建模质量进行评价。通过将测量尺寸与建模尺寸相比较的方式给出建模数据、测量数据,并计算出误差数值和误差占比,对建模尺寸和测量尺寸误差较大处做修正处理,使得板片的平面度误差控制在0.1 mm内。3.首先选定换热区,建立了最佳波纹倾角流道简化模型,β为60o。用低雷诺数(Re)数k-ε模型进行水流体介质流动和换热特性的仿真计算,得到了Re和Nu的变化曲线。其次研究了导流区流道内的流体特性,结果表明:导流区压力场、流速场、温度场分布比较均匀。最后分析了换热区冷、热流体和板片间的耦合特性,分析发现:热流体温度分布主要集中在335 K~353 K,而冷流体的温度分布主要集中在300 K~320 K。本文首次利用三座标测量与数值构造对比分析的方法,确定了人字形波纹板的具体结构及三维模型。并分析了换热性能,对厂家生产有指导意义。
【关键词】：换热器板片 逆向建模 三坐标检测 流动特性
【学位授予单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 课题来源8
• 1.2 研究意义8-9
• 1.3 板式换热器存在的问题9-10
• 1.4 国内外研究现状10-13
• 1.4.1 国外研究现状10-12
• 1.4.2 国内研究现状12-13
• 1.5 CFD技术在板式换热器中的应用13-14
• 1.6 本文主要研究内容14-15
• 第二章 计算流体动力学理论基础15-23
• 2.1 计算流体动力学基本方程15-18
• 2.1.1 连续性方程15-16
• 2.1.2 动量方程16-17
• 2.1.3 能量方程17-18
• 2.2 热力学理论18-21
• 2.2.1 热力学第一定律18-19
• 2.2.2 热力学第二定律19-20
• 2.2.3 等熵理论20-21
• 2.3 计算流体动力学理论21-22
• 2.3.1 结构离散21
• 2.3.2 单元选取21
• 2.3.3 整体组装21-22
• 2.3.4 边界条件22
• 2.3.5 计算结果及后处理22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 换热器板片整体三维模型建立23-31
• 3.1 造型技术23
• 3.2 获取点云数据23-24
• 3.2.1 接触式测量23-24
• 3.2.2 非接触式测量24
• 3.3 点云扫描实验24-25
• 3.4 点云数据预处理25-27
• 3.4.1 基于三基准点的对齐方法25-26
• 3.4.2 点云数据的平滑与降噪处理26
• 3.4.3 点云数据精简26-27
• 3.5 板片建模及处理27-30
• 3.5.1 角孔区27
• 3.5.2 导流区27-28
• 3.5.3 换热区28-29
• 3.5.4 外围区29-30
• 3.6 换热器板片组装30
• 3.7 本章小结30-31
• 第四章 实际板片的三坐标检测31-41
• 4.1 试验设备简介31-32
• 4.2 三坐标测量机系统(CMM)组成32
• 4.3 CMM系统测量原理32-34
• 4.4 板片装夹34-36
• 4.5 试验数据及处理36-40
• 4.5.1 主要检测部位36
• 4.5.2 检测数据及分析36-40
• 4.6 本章小结40-41
• 第五章 换热区流动及传热特性的数值分析41-51
• 5.1 热边界层41-43
• 5.1.1 边界层换热微分方程41-42
• 5.1.2 二维稳态对流换热方程组简化式42-43
• 5.1.3 边界层微分方程的相似解43
• 5.2 理论基础43-44
• 5.2.1 数值计算所依据的数学模型假设43
• 5.2.2 模型选取43-44
• 5.3 换热区模型44-46
• 5.4 数值模拟结果及分析46-48
• 5.5 模拟数据后处理48-50
• 5.6 本章小结50-51
• 第六章 换热器流道传热及热固耦合分析51-61
• 6.1 湍流模型51-52
• 6.2 导流区数值分析52-54
• 6.2.1 相关参数设置52
• 6.2.2 数值计算结果及分析52-54
• 6.3 换热区仿真分析54-56
• 6.3.1 相关参数设置54
• 6.3.2 换热区数值计算结果对比分析54-55
• 6.3.3 换热区传热及阻力特性分析55-56
• 6.4 换热区热固耦合分析56-60
• 6.4.1 板片间的热量传递56-58
• 6.4.2 冷热流体及板片耦合分析58-60
• 6.5 本章小结60-61
• 第七章 结论61-63
• 7.1 全文总结61-62
• 7.2 工作展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-68
• 作者简介68
• 攻读硕士学位期间研究成果68-69

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本文编号：982589