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多头螺旋管换热过程的数值模拟及其结构优化

作　者: 冯凯
导　师: 钟建华
学　校: 江西理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 多头螺旋管强化传热数值模拟结构优化正交试验 ANSYS
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

能源是人们日常生活中不可或缺的生产、生活资料，自工业革命以来，能源产业已然成为了一个国家国民经济的大动脉，然而近些年来，能源的过度消耗造成的能源危机，已经开始对经济的发展与社会的进步产生制约。关注新能源的开发和探索节能途径成为当下世界各国的共识。本文从节能的角度出发，以多头螺旋管为主要研究对象，以水为传热介质，期望通过对其强化传热过程的研究，探索多头螺旋管的强化传热机理。同时对其结构进行优化，最终在一定程度上提高其强化传热效率。研究采用多元参数正交试验的方法，利用Pro/E建立不同结构参数的理论模型，通过ANSYS中的流体传热分析模块FLOTRANCFD对螺旋管对流换热过程进行三维数值模拟，得出螺旋管内流体紊流流动过程中的速度变化、温度分布、压降情况；对管内流体的紊流过程热传递效应及动态过程作理论分析，探究其传热机理；利用综合的传热性能评价指标PEC-1，对多头螺旋管的换热过程进行正交试验的直观及方差分析，为强化传热管的优化设计提供理论指导。结果表明：（1）在等温载荷的情况下，多头螺旋管的换热性能优于光管，可作为强化传热的热交换器元件，以本文研究的六头螺旋管为例，其流体出口温升较之基准管相对提高近2倍。（2）多头螺旋管特有凸筋结构的存在，一方面破坏了流体传热的边界层，并且改善了速度场与热流场的协同性，使得强化传热效率得到提高，另一方面，凸筋造成流体的有涡流动，也使得多头螺旋管管壁不易结垢。（3）对于综合换热性能评价指标PEC-1，随螺旋管头数的增加，其值有明显的提升，当螺旋角超过45°时，PEC-1的值急剧下降，而槽深的变化对其作用相对较小。（4）通过对正交试验结果的直观及方差分析，得到了最终的优化方案为A3B1C2，也即螺旋管的头数为8，槽深为5mm，螺旋角为45°。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-19
  1.1 引言  10-11
  1.2 换热器概述  11-13
    1.2.1 换热器的分类  11
    1.2.2 换热过程的强化传热  11-12
    1.2.3 强化传热技术的选择与评价  12-13
  1.3 多头螺旋管概述  13-14
    1.3.1 多头螺旋管的特点  13
    1.3.2 多头螺旋管的生产方式  13-14
  1.4 螺旋管的研究现状与发展趋势  14-16
    1.4.1 研究现状  14-15
    1.4.2 发展趋势  15-16
  1.5 本文的主要工作  16-18
    1.5.1 本文的研究目标  16-17
    1.5.2 本文的研究内容  17
    1.5.3 本文的研究方法  17-18
    1.5.4 研究的难点及创新  18
  1.6 本章小结  18-19
第二章多头螺旋管换热的传热学基础  19-25
  2.1 引言  19
  2.2 热量传递的基本方式及机理  19-20
  2.3 边界层理论  20-21
  2.4 紊流的形成机理  21-22
    2.4.1 流体的运动形态  21
    2.4.2 紊流运动的数学分析  21-22
  2.5 对流换热的场协同原理  22-23
  2.6 管内流体力学应用  23-24
    2.6.1 流体力学概述  23
    2.6.2 管内流动阻力与能量损失  23-24
  2.7 本章小结  24-25
第三章多头螺旋管换热的数值模拟基础  25-33
  3.1 引言  25
  3.2 流动与传热的控制方程  25-28
    3.2.1 质量守恒方程  25-26
    3.2.2 动量守恒方程  26-27
    3.2.3 能量守恒方程  27-28
  3.3 数值求解方法  28-30
    3.3.1 有限差分法（FDM）  29
    3.3.2 有限容积法（FVM）  29
    3.3.3 有限单元法（FEM）  29-30
    3.3.4 边界元法（BEM）  30
  3.4 湍流流动与换热的数值模拟  30-31
    3.4.1 直接模拟法  30
    3.4.2 大涡模拟法  30-31
    3.4.3 Reynolds时均方程  31
  3.5 ANSYS/FLOTRAN热分析概述  31-32
    3.5.1 ANSYS简介  31-32
    3.5.2 FLOTRANCFD简介  32
  3.6 本章小结  32-33
第四章多头螺旋管换热过程的数值模拟  33-47
  4.1 引言  33
  4.2 实体模型的建立  33-35
    4.2.1 Pro/E简介  33-34
    4.2.2 多头螺旋管的传热模型  34
    4.2.3 管材参数的确定  34
    4.2.4 Pro/E建模  34-35
  4.3 有限元模型的建立及网格划分  35-36
  4.4 载荷的施加  36-37
  4.5 FLOTRAN特性设置  37-39
  4.6 有限元模型求解  39-40
  4.7 模拟结果及分析  40-46
    4.7.1 温度分布  40-42
    4.7.2 压力分布  42-44
    4.7.3 流体的速度分布  44-46
  4.8 本章小结  46-47
第五章多头螺旋管结构优化及换热性能评价  47-62
  5.1 引言  47
  5.2 正交试验的设计  47-48
  5.3 正交试验结果及分析  48-54
    5.3.1 实验结果  48-51
    5.3.2 实验结果分析  51-54
  5.4 实验结果的方差分析  54-57
    5.4.1 方差分析的基本公式  54-55
    5.4.2 温升的方差分析  55-56
    5.4.3 压降的方差分析  56
    5.4.4 平均速度的方差分析  56-57
  5.5 多头螺旋管换热性能的评价  57-60
    5.5.1 管内换热强化的评价准则  57-58
    5.5.2 多头螺旋管的综合换热性能  58-59
    5.5.3 综合换热性能的正交分析  59-60
    5.5.4 PEC-1正交试验结果的方差分析  60
  5.6 数值分析结果的验证  60-61
  5.7 本章小结  61-62
第六章结论与展望  62-64
  6.1 结论  62
  6.2 展望  62-64
参考文献  64-67
致谢  67-68
个人简历  68
攻读硕士学位期间学术论文发表情况  68

多头螺旋管换热过程的数值模拟及其结构优化

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