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基于流固耦合分析的硫化炉的结构设计及优化

作　者: 张亚康
导　师: 李迅波
学　校: 电子科技大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 空气电阻炉 FLOTRAN 流固耦合共轭传热
分类号: TK175
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

硫化炉主要用于对低端的电子信息线缆的外层橡胶进行硫化,增加其弹性、强度以及对化学物品的抵抗能力,主要应用在国内的许多中小企业的实际生产中。由于旧有设备的设计缺陷,以及配套设备的不完善,造成热损耗大、能效低的现状,与国家提倡节能减排的政策背道而驰,也对企业的经营效益带来了负面作用,新型设备的研制刻不容缓。论文课题来源于广东省2009年产学研重大专项线缆联盟项目“安全环保消费电子类线缆及线束共性技术研究与产业化”的子课题:“消费类电子线缆制备技术及新型设备研制”。本文主要针对硫化炉耗能大的问题,基于传热学和电阻炉的设计理论,采用数字化建模、流固耦合分析验证的方法,完成新型的双线节能硫化炉的研发。本文首先从硫化炉稳态工作时需要涉及的最基本的理论支撑——传热学中的热传导和对流传热入手,先对热传导的的基本概念、基本定律、以及微分方程组的建立与求解进行了深入的学习,在此基础上对一维稳态导热的一些经典案例进行熟悉,掌握其对理论知识的应用,并找到与硫化炉的结构相似的模型,并了解对流传热的相关理论知识和简化模型,以及流固耦合分析的一些方法,并熟悉FLOTRAN求解步骤。第二,通过熟悉硫化炉的工作原理,制定出详细的设计任务书;再根据空气电阻炉的有关设计理论和经验总结,完成硫化炉的初步结构设计;通过流固耦合分析,得到其结构方面的缺陷。第三,针对可能存在的问题提出几点改进意见,并在结构原型上实现,采用FLOTRAN分别对改进后的结构设计进行流固耦合共轭传热分析来模拟结构设计的整体性能,并探讨与验证改进方案的合理性。最后基于实际项目对硫化炉的具体要求,并通过后续与企业的交流对结构做了一些改进,最终完成设备样品的试产,并通过试验阶段严格的参数性能测量,完全达到设计的基本要求。采用改进后的结构设计的新型硫化炉即将投入到实际生产中进行应用,相信在应用中必将带来良好的经济效益和社会价值。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-14
  1.1 引言  10-11
  1.2 课题的提出及研究的意义  11-12
  1.3 本论文主要的的研究内容及实现方法  12-13
  1.4 论文章节安排  13-14
第二章传热学及流固耦合分析基础  14-33
  2.1 传热基本概念  14-24
    2.1.1 热传导（导热）基础  14-18
      2.1.1.1 基本概念及导热学定律  14-16
      2.1.1.2 导热微分方程和定解条件  16-18
    2.1.2 一维稳态导热实例  18-21
      2.1.2.1 无内热源多层平壁的稳态导热  18-20
      2.1.2.2 肋片稳态导热  20-21
    2.1.3 热对流  21-24
      2.1.3.1 对流传热量公式  22
      2.1.3.2 影响对流传热的主要因素  22-23
      2.1.3.3 相似理论及其在对流换热中的应用  23-24
  2.2 有限元及流固耦合分析基础  24-27
    2.2.1 有限元基础  24-25
    2.2.2 热_流耦合理论  25-26
    2.2.3 求解流固耦合问题的方法研究  26-27
  2.3 FLOTRAN 介绍  27-31
    2.3.1 FLOTRAN 分析的主要步骤  27-29
    2.3.2 FLOTRAN 中的分析模型  29-31
      2.3.2.1 湍动能-耗散率模式（k-ε模式）  29-30
      2.3.2.2 FLOTRAN 中共轭传热问题的求解器  30-31
    2.3.3 FLOTRAN 使用注意事项  31
  2.4 本章小结  31-33
第三章硫化炉初步结构设计及分析  33-48
  3.1 硫化炉的设计任务书  33-35
    3.1.1 硫化炉的工作原理  33
    3.1.2 硫化炉的设计任务书  33-35
  3.2 硫化炉的初步结构设计  35-43
    3.2.1 空气电阻炉  35-36
    3.2.2 硫化炉的初步结构设计  36-43
      3.2.2.1 炉衬（耐火隔热材料）的选取  36-38
      3.2.2.2 炉壳及炉膛的设计  38-40
      3.2.2.3 电热体的选择  40-41
      3.2.2.4 基于初始设计的一些改进  41-43
  3.3 基于硫化炉初步设计的流固耦合分析  43-47
    3.3.1 建模  43-44
    3.3.2 参数设定  44-46
    3.3.3 流固耦合分析  46-47
  3.4 本章小结  47-48
第四章基于流固耦合分析的结构优化  48-56
  4.1 调整加热管相对中心线位置  48-51
    4.1.1 调整加热管横向位置  48
    4.1.2 流固耦合分析  48-51
      4.1.2.1 建模及参数设定  48-50
      4.1.2.2 流固耦合分析  50-51
  4.2 炉口加装保温措施  51-53
    4.2.1 加装保温措施  51
    4.2.2 基于添加保温措施的流固耦合分析  51-53
  4.3 调整加热管在炉内的纵向分布  53-55
    4.3.1 调整加热管在炉内的纵向分布  53-54
    4.3.2 流固耦合分析  54
    4.3.3 三维模型的分析结果总结  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章新型硫化炉的结构设计实例  56-62
  5.1 新型硫化炉的结构设计  56-58
    5.1.1 新型硫化炉的具体设计要求  56
    5.1.2 硫化炉的结构设计实现  56-58
  5.2 新型硫化炉的流固耦合分析  58-59
    5.2.1 建立新型硫化炉模型  58-59
    5.2.2 流固耦合分析结果  59
  5.3 新型硫化炉的生产及应用  59-61
    5.3.1 新型硫化炉的制造  60
    5.3.2 试验数据的测量  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第六章结论及总结  62-64
  6.1 本文总结  62-63
  6.2 前景展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
攻读硕士学位期间取得的研究成果  68-69

基于流固耦合分析的硫化炉的结构设计及优化

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