基于FLUENT的波节管换热器性能数值仿真及其结构优化

发布时间：2017-06-30 02:18

  本文关键词：基于FLUENT的波节管换热器性能数值仿真及其结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着社会的发展与人们生活水平的提高,人类对能源需求的日益剧增与地球资源的日益枯竭这一矛盾正在不断加剧。开发各类高效换热器合理高效地使用能源,是缓和这一矛盾的主要途径之一。波节管换热器是一种新型的换热器,拥有较好的强化传热性能。本文以波节管换热器为研究对象,运用FLUENT软件从流动特性和传热特性两个方面出发对波节管换热器的管程和壳程进行仿真模拟。本文的主要研究工作包括： 第一,采用CFD数值模拟方法,以水为介质对波节管管程进行3D全管长建模仿真。流动特性方面,将波节管管程的速度场、速度矢量图、流线图和压力场与对应型号的光管进行对比分析,研究波节管的强化机理。研究表明,由于波节管流道截面的膨胀与收缩使得其对称截面上的速度云图呈周期性分布且在各个波峰内形成了漩涡状的回流区。波节管管程的压力损失远大于光管,这表明波节管传热性能的提高是以阻力的增大为代价的；传热特性方面,将波节管管程的温度场与光管进行对比,研究了波节管的局部Nu数分布,并将相同工况下两种换热管的平均Nu数进行对比。本文发现,局部Nu数的最小值和最大值分别出现在波峰上游处和收缩段尾部,且在相同工况下波节管的平均Nu数高于光管,但强化性能随着Re数的增加而逐渐减弱。 第二,对无折流板壳程KC_BJG32、KC_GG_W和折流板壳程KC_GG_Y进行仿真分析。流动特性方面,将三个壳程的速度场、速度矢量和压力场进行对比分析。结果表明,折流板是影响壳程流动特性最主要的因素,折流板的引入很大程度上改善了壳程的流动状况,但压力损失也急剧增大；传热特性方面,对比了三个壳程的温度场,并以“单位压降下的热流量”为评定标准对三个壳程进行综合性能评定。研究表明,无折流板壳程KC_BJG32和KC_GG_W的温度分布基本相同,前者略好于后者,但都不如折流板壳程KC_GG_Y换热充分。而由于压降的急剧增大,KC_GG_Y的综合性能反而最差,KC BJG32的综合性能最好。 第三,以波节管几何结构参数D1、S1、S2、S为变量设计3个系列共15根波节管进行结构优化分析。研究表明,波深D1和波长S是影响波节管强化性能最重要的两个几何参数,引入无量纲波节管几何因子εo=(D1-D2)/S将两者联系起来。仿真结果表明当εo=0.280左右时,波节管的强化性能最好。 第四,将仿真结果光管管程压降ΔP、光管平均Nu数、折流板壳程压降ΔP,分别用《换热器设计手册》中推荐的工程经验公式和流体力学中的实验关联式进行计算对比。结果表明三者的最大偏差分别为：13.5%,22.57%,13.81%,且随着流速的增加偏差逐渐减小,进而验证了仿真模型和求解设置的合理性以及仿真结果的可靠性。
【关键词】：波节管换热器 FLUENT数值仿真 管程与壳程 流动与传热特性 结构优化
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ051.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-32
• 1.1 课题研究的背景及研究意义12-13
• 1.2 换热器传热机理及强化传热可行性分析13-16
• 1.2.1 换热器传热机理简介13-14
• 1.2.2 换热器强化传热可行性分析14-16
• 1.3 国内外管壳式换热器强化技术发展现状及发展趋势16-21
• 1.3.1 管壳式换热器强化传热元件分类16-17
• 1.3.2 国内外管壳式换热器强化技术17-20
• 1.3.3 换热器强化技术发展趋势20-21
• 1.4 波节管换热器与波节管21-25
• 1.4.1 波节管换热器与波节管简介21-22
• 1.4.2 波节管换热器与波节管几何、工艺参数22-25
• 1.5 本文研究的主要内容25-26
• 1.5.1 本文写作特点与创新点25
• 1.5.2 本文研究的主要内容25-26
• 1.6 本文采用的研究方法与技术路线26-32
• 1.6.1 研究方法26-27
• 1.6.2 技术路线27-32
• 第2章 数值仿真模拟简介32-39
• 2.1 CFD简介及其特点32
• 2.2 FLUENT软件简介32-33
• 2.3 基于FLUENT的CFD数值模拟分析求解步骤33-34
• 2.4 FLUENT相关理论介绍34-37
• 2.4.1 FLUENT的湍流模型34-36
• 2.4.2 FLUENT边界条件36
• 2.4.3 FLUENT求解参数36-37
• 2.5 基于FLUENT的换热器性能仿真简介37-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第3章 波节管换热器管程数值模拟39-98
• 3.1 仿真模型的确定39-48
• 3.1.1 模型几何参数与工艺的确定39
• 3.1.2 问题的简化与假设39-40
• 3.1.3 几何模型的建立40-41
• 3.1.4 网格测试与网格划分41-48
• 3.2 FLUENT设置与参数确定48-50
• 3.2.1 FLUENT边界条件设置48
• 3.2.2 FLUENT求解设置48-49
• 3.2.3 参数确定49-50
• 3.3 FLUENT求解与结果分析50-80
• 3.3.1 流动特性分析51-67
• 3.3.2 传热特性分析67-80
• 3.4 波节管几何结构优化80-96
• 3.4.1 波深D_1对波节管强化性能的影响81-85
• 3.4.2 S_1、S_2和S对波节管强化性能的影响85-92
• 3.4.3 波节管几何因子分析与无量纲因子ε的引入92-94
• 3.4.4 波节管综合性能评价分析94-96
• 3.5 本章小结96-98
• 第4章 波节管换热器壳程数值模拟98-137
• 4.1 仿真模型的确定98-102
• 4.1.1 壳程模型几何参数与工艺的确定98-99
• 4.1.2 问题的简化与假设99-100
• 4.1.3 几何模型的建立100-101
• 4.1.4 壳程模型的网格划分101-102
• 4.2 FLUENT设置102-103
• 4.2.1 FLUENT边界设置102-103
• 4.2.2 FLUENT求解设置103
• 4.3 FLUENT仿真结果分析103-135
• 4.3.1 流动特性分析103-123
• 4.3.2 传热特性分析123-135
• 4.4 本章小结135-137
• 第5章 结论与展望137-142
• 5.1 本文的研究结论137-140
• 5.2 前景展望140-142
• 致谢142-143
• 参考文献143-147
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目147

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 代中元;基于FLUENT的某型号板翅式换热器的性能数值模拟及其结构优化[D];武汉理工大学;2013年

  本文关键词：基于FLUENT的波节管换热器性能数值仿真及其结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：500244