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弓形折流板换热器壳程流体流动与传热的数值模拟

作　者: 乔智晶
导　师: 薛若军
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 热能工程
关键词: 换热器湍流模型流动与换热数值模拟
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 82次
引　用: 4次
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内容摘要

换热器广泛应用于化工、石油、电力、动力、能源、动力机械等众多工业领域。换热器工作性能的好坏对于这些行业的生产效率、经济效益有着十分重要的影响。由于换热器几何结构、内部流动和换热过程复杂,数值模拟的方法已经成为研究换热器内部流动和传热特性的重要手段之一。本文以常用的管壳式换热器(弓形折流板换热器)作为重点研究对象,在改变折流板结构的情况下,对管壳式换热器壳程流动和换热进行了三维数值模拟。本文通过对复杂物理模型的简化,采用计算流体力学软件FLUENT所提供的标准κ-ε两方程模型作为计算模型,应用压力修正的SIMPLE算法进行求解。换热器内部的热交换是一个管内外流体借助换热管壁相互作用的复杂过程,为了避免采用定壁温假设的方法对管内传热的影响的忽视,在研究壳程流动与换热的计算中,同时考虑了管程流体流动和换热对壳程的影响。在不同管程工况下,使用管程流体与壳程流体耦合计算的方法进行模拟计算。并且与仅考虑壳侧流体流动与传热的定壁温假设计算方法进行对比。发现两种计算的结果存在较大差异。而且这种差异随着管程流体流量的增加会慢慢减小。与传热学基础理论和实际情况吻合较好。虽然由于考虑了管内流动可能使管内传热的计算结果与实际换热情况出现偏差,对以上两种计算方法的比较产生影响,但是能够揭示这两种方法的差异和计算结果随流体工况的变化情况。通过比较,本论文认为：同时考虑壳侧和管侧流动与传热的计算方法,更有助于揭示换热器局部温度场变化的实际情况。因此本文后面几章的模拟就算均采取关内外流体耦合计算的方法进行。本文模拟研究的重点在折流板结构变化对换热器流动与换热影响。在相同换热器外部尺寸条件下,通过折流板数量和高度的变化来进行分析。得到了不同工况下,几种换热器结构的壳侧流体温度场、压力场。并且得出壳程进出口温度、压降、以及管程流体进出口温差、换热系数随壳侧流量变化的特性曲线。在评价换热器性能的指标中,h/△P指标是常用的一种方法,本文通过几种工况下,不同折流板结构的h/△P值的对比,得出换热器性能指数随折流板个数和折流板高度增加随之降低的结论,与已有的换热器理论和实验研究结果相吻合。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-26
  1.1 换热器简述  11-13
    1.1.1 换热器的分类  12-13
    1.1.2 换热器的发展方向及趋势  13
  1.2 管壳式换热器  13-15
  1.3 强化传热技术简介  15-19
    1.3.1 强化传热技术的分类  15-16
    1.3.2 强化传热的基本途径  16-18
    1.3.3 强化传热的方法  18-19
  1.4 管壳式换热器的研究现状  19-26
    1.4.1 管壳式换热器的实验研究  19-21
    1.4.2 管壳式换热器数值模拟的研究  21-24
    1.4.3 前人研究的不足和本论文的研究方向  24-26
第2章计算流体力学基础与湍流模型介绍  26-40
  2.1 数值计算技术简介  26-34
    2.1.1 CFD适用范围  26
    2.1.2 CFD优缺点  26-27
    2.1.3 主要数值计算方法  27-29
    2.1.4 有限体积法及其网格介绍  29-31
    2.1.5 有限体积法中常用的离散格式  31-32
    2.1.6 压力修正SIMPLE算法  32-34
  2.2 湍流的数值模拟方法及湍流模型  34-37
    2.2.1 直接数值模拟  35
    2.2.2 大涡模拟  35
    2.2.3 Reynolds时均方程法  35-36
    2.2.4 标准k-ε两方程模型  36-37
  2.3 FLUENT介绍  37-38
  2.4 本章小结  38-40
第3章定壁温假设对弓形折流板换热器换热模拟结果的影响  40-56
  3.1 数值计算的基本过程  40-43
    3.1.1 前处理  40-42
    3.1.2 计算求解  42-43
    3.1.3 后处理  43
  3.2 定壁温假设对弓形折流板换热器换热模拟结果的影响  43-54
    3.2.1 模型描述、结构参数与网格划分  44-47
    3.2.2 模型求解设置  47
    3.2.3 计算工况  47
    3.2.4 计算结果分析  47-54
  3.3 本章小结  54-56
第4章弓形折流板换热器壳程流动与换热特性理与数值模拟  56-77
  4.1 换热器壳程传热与流动的理论  56-57
    4.1.1 影响对流换热的因素  56-57
    4.1.2 研究换热器壳程传热与流动机理的流路分析法  57
  4.2 不同折流板结构下换热器壳侧流动与传热的数值模拟  57-76
    4.2.1 模型描述与网格划分  57-58
    4.2.2 基本假设与模型求解设置  58
    4.2.3 计算结果显示与分析  58-76
  4.3 本章小结  76-77
结论与展望  77-80
参考文献  80-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86-87
附录A  87

弓形折流板换热器壳程流体流动与传热的数值模拟

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