摘 要

本课题要研究的课题是层流条件下单管套管换热器数值模拟。通过建立单管套管换热器的流动模型和传热模型;以换热量、内管阻力和环境阻力为评价指标，得到了各结构参数对单管套管的换热和阻力性能的影响规律。

对单管套管进行数值试验模拟研究，以获得其传热系数、换热量等特性，本实验以水作为实验流体。

本实验利用一种综合性的实验研究方法，实验对象是一组经过冷轧处理的单管套管组，单管套管的综合性能包括强化传热性能和稳定性能。对于强化传热性能可以通过单管套管的传热系数来体现。

关键字：单管套管换热器　　数值模拟　　换热器

Numerical simulation of single-tube casing heat exchanger under laminar flow conditions

Abstract

The subject to be studied in this subject is the numerical simulation of single-tube casing heat exchanger under laminar flow conditions. The parametric modeling of the single-tube casing structure of the heat exchanger was realized by establishing the numerical model of the flow and heat transfer of the single-tube casing. The heat transfer, inner pipe resistance and environmental resistance were used as the evaluation indexes, and the structural parameters were obtained.

The numerical test simulation study was carried out on the single-tube casing to obtain the heat transfer coefficient, pressure drop and friction resistance characteristics.

This experiment utilizes a comprehensive experimental research method. The experimental object is a group of cold-rolled single-tube casings. The comprehensive performance of single-tube casings includes enhanced heat transfer performance and stability performance. For the enhanced heat transfer performance can be reflected by the heat transfer coefficient of the single-tube casing, and the stability can be reflected by the pressure drop of the single-tube casing inlet and the Fanning friction coefficient.

In this experiment, the comprehensive performance of a single-tube casing was compared by a light pipe and several sets of single-tube casings of different sizes. pressure drop and Fanning friction coefficient were compared to obtain the single-tube casing of the optimal structural size.

Keywords:: double-pipe heat interchanger；Numerical simulation；heat exchanger

主要符号表

	换热面积
	流体的流动截面积
	比热	/
	管程内径
	壳程内径
	对流换热系数	/
	总传热系数	/
	管长
	质量流量	/
	管半径
	壁面温度
	温差
	对数平均温差
	流速	/
	努塞尔数
	雷诺数
	密度	/
	导热系数	/
	动力粘度
	管壁厚

目　　录

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2单管套管换热器的特点 1

1.3单管套管的传热原理 1

1.4数值模拟技术的应用 2

1.5本课题的意义 2

第二章 数值模拟的模型的构建 3

2.1模型的介绍 3

2.2物理模型的建设 6

2.3数值模拟的基本原理 7

2.4网格的建立 8

2.5网格独立性验证 10

第三章 数值模拟分析 12

3.1热计算基本方程式 13

3.1.1传热方程式 13

3.1.2 平均温差 15

3.2在顺流条件下只改变壳程进口温度的单管套管换热器数值模拟研究 17

3.3在逆流体条件下只改变壳程进口温度的单管套管换热器数值模拟研究 32

3.4冷流体进口速度对换热性能的影响 40

3.5 本章小结 43

第四章 总结与展望 44

4.1总结 44

4.2展望 44

参考文献 45

致谢 47

第一章 绪论

1.1课题背景

随着工业化进程的推进、科技的日新月异，能源问题一直是当今继续提高生产效率的首要目标^[1]，换热器作为一种能源利用设备，一直被广泛的运用于各个行业^[2]，分布范围之广，所以提高管壳式换热器的能源利用效率，提高能源利用的效率，是当今各工业需要解决的技术问题^[3]，本课题是研究在一定范围内，通过数值模拟的方法，计算单管套管换热器在自然对流条件下流动与传热特性，得出相关参数如换热系的关系。

1.2单管套管换热器的特点

现在给大家介绍什么是单管套管换热器，顾名思义，单管套管换热器是换热器的一种，单管套管换热器总体上有俩个部分组成^[4]，分为内管和外管俩个部分，内部管路流过的流体可以称之为管程，同理，在介于外管和内管之间流过的流体，我们可以称之为壳程^[5]。内管和外管为固体，起到分隔管程流体和壳程流体的作用。管程流体和壳程流体可以通过顺流或者逆流都能达到换热效果^[6]。

单管套管换热器的工质可以为液体或者气体，液体可用水、有机溶液等^[7]；气体可为水蒸气、空气、烟气进行换热^[8]。套管换热器的内管为换热的管壁，在上面有热量的传递，选择不同的材料进行换热，很显然有不同的换热效果，但由于成本等多方面原因影响^[9]，可选择的材料不是很多^[10]，本次毕业设计，笔者采用的是不锈钢作为换热材料，不锈钢具有耐大气、水蒸汽、液态水等弱腐蚀的介质和拥有不锈的属性的钢材^[11]。

1.3单管套管的传热原理

套管式换热器是一种结构简单的间壁式换热器^[12]，所以换热原理就是通过换热器内管的热传导^[13]，内管两侧流过两种温度不同的流体，产生了温度差，热量沿着温度梯度^[14]，从高温流向低温，进行换热。这种换热器结果简单，但是其结构导致抗温差应力效果差^[15]。所以高效换热设备有待被开发。

1.4数值模拟技术的应用

数值模拟技术是人类对地球的物理学的一大突破,它有俩种作用:一是可以拓宽我们的视野，对于很多无法采取实验的内容^[16]，我们可以进行模拟实验得到精确的结果;二是它可以作为一种检验的工具^[17]由于过去的电脑的速度普遍不高，数值模拟一直首先与科技的发展，特别是计算机计算能力的限制^[18]。现在进入２１世纪，计算机工业的飞速发展，把过去的不可能变为了可能，伴随着计算机科学的进步^[19]，计算流体力学（CFD）被广泛的运用于关于力学的模拟中^[20]，在那个没有计算流体力学（CFD）的年代曾经造一部飞机，要上万次风洞试验，最后才能定型量产；然而，近些年来，计算机科技的进步推动了各行各业的发展，在计算流体力学（CFD）方面，人们可以把飞机的模型直接在电脑内建模，在计算机中进行模拟，然后用几次风洞试验去验证，一部新型飞机就可以定型量产了，由此可见，计算流体力学（CFD）软件的强大之处，它利用数值模拟和图片展示的方法，能够求出流场定量的数值的解^[21]，成为了在理论流体力学和试验流体力学的发展之后的又一种重要研究手段^[22]，计算流体力学（CFD）软件最早在美国出现，它已经成了解决流体流场和换热的工具。在环境、航空、海洋、水利、流体工程与流体机械等学科应用面较为广泛^[23]。而 FLUENT 是国内外应用最多的CFD应用软件，它里面包含着领先的数值模拟方法、各种各样的物理模型和强劲的后期处理功能，可对传热与相变、多相流等流动问题进行精确的模拟，可信度相当高^[24]。

1.5本课题的意义

经过上文对单管套管的介绍和对计算流体力学的介绍，为了提高单管套管换热器强化传热的效果，可软件Fluent对单管套管进行数值模拟，计算得出各项数据^[25]。以换热量作为参考的指标，得到换热器在不同换热条件下的换热性能，并得到一定范围内普遍的规律。

第二章 数值模拟的模型的构建

2.1模型的介绍

单管套管换热器的数值模拟课题是一个综合型课题，其目的是在一定范围内，通过计算机数值模拟的方法，在定计算的件下，计算单管套管换热器在自然对流条件下流动与传热特性。

图2-1 单管套管换热器的三维图

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