层流条件下三角形波波纹管内流动与传热特性数值模拟毕业论文
2022-06-15 23:26:55
论文总字数：25308字
摘 要
波纹管是通过圆管管壁的凸起与凹陷以增加近壁面流体的扰动减薄边界层厚度以强化传热,代价即为增加流动阻力。波纹管是工业领域常用的强化换热方式,以往的研究多采用实验方法,耗时耗力,同时无法针对管内换热强化过程做深层次的分析。数值模拟的方法目前对单相流动和传热过程相对比较成熟,其计算精度可以满足工程要求。通过模拟的方法得到具有工程意义的参数,可以培养学生的工程概念,了解针波纹管流动与换热特性。
在一定范围内,通过数值模拟的方法,计算层流条件下三角形波波纹管内在不同波纹结构条件、不同雷诺数条件下流动与传热特性,得出相关参数如换热系数、努塞尔数,进出口压差、摩擦系数等,并得到有一定普遍意义的计算公式。
该课题需要针对特定结构参数下的单根波纹管,应用Gambit软件进行建模和初步定义边界条件,利用Fluent针对管内温度场、速度场和压力场进行求解。最终利用计算所得相关参数,设计一台波纹管式固定管板换热器,实现一定工艺过程,并绘制出图纸。
关键词：波纹管 换热器 数值模拟
Numerical simulation of the triangle laminar flow and heat transfer within the bellows under turbulent conditions
Abstract
The bellows is depressed by the projection and the tube wall to increase the disturbance of the flow near the wall thinning to enhance heat transfer boundary layer thickness, the price is increased flow resistance. Bellows is a common way of enhancing heat transfer industry, previous studies using experimental methods, time-consuming, but can not do in-depth analysis of the inner tube heat transfer enhancement process. Numerical simulation of single-phase current flow and heat transfer process is relatively mature, and its calculation accuracy to meet the engineering requirements. Get parameter has engineering significance through simulation, students can develop engineering concepts, understanding needle bellows flow and heat transfer characteristics.
Within a certain range, through numerical simulation, calculation of flow and heat transfer under laminar flow conditions triangle wave pattern corrugated pipe internal structure of different conditions, different Reynolds numbers, draw relevant parameters such as heat transfer coefficient, Nusselt number , import and export pressure, friction coefficient, and get a certain formula of universal significance.
The issues to be specific for a single bellows structure parameters, the application Gambit software modeling and preliminary definition of boundary conditions, using Fluent be solved for the tube temperature, velocity and pressure fields. End-use computed correlation parameters, to design a bellows-type fixed tube sheet heat exchanger, to achieve a certain process, and draw the blueprint.
Key words: Corrugated pipe，Heat exchanger，The numerical simulation
目录
摘要 I
Abstract II
符号表 IV
第1章 绪论 1
1.1 波纹管的发展 1
1.2 场协同原理的应用 2
1.3 对波纹管设计研究的展望 4
1.4 总结 5
第2章 波纹管数值模拟 6
2.1 FLUENT软件包的介绍 6
2.2 物理模型 6
2.3 网格特性 7
第3章 模拟数据的结果与讨论 9
3.1 光管和波纹管的换热特性 9
3.2 压降 10
3.2.1 波纹管的动力粗糙度 11
3.2.2 不同管直径对压降的影响 12
3.2.3 不同波直径对压降的影响 14
3.3 传热 15
3.3.1 波纹管的波间距对传热的影响 17
3.3.2 波纹管的管直径对传热的影响 19
3.3.3 波纹管的波直径对传热的影响 20
3.4 小结 22
第4章 数值模拟的云图分析 23
4.1 温度 23
4.2 速度 24
4.3 压力 26
第5章 固定管板式换热器设计 28
前言 28
5.1 工艺条件 28
5.2 计算 30
换热器制造 38
⑤ 管板[41] 39
第6章 总结与展望 41
6.1 总结 41
6.2 展望 41
参考文献 42
附 录 45
光管数据组 45
1号波纹管数据组 46
2号波纹管数据组 47
3号波纹管数据组 47
4号波纹管数据组 48
符号表
R | 管半径（mm） | 努赛尔数比 | ||
L | 管长(mm) | 质量流量(kg/s) | ||
r | 波半径(mm) | Q | 换热量(kJ/s) | |
p | 波间距(mm) | u | x方向速度，m/s | |
d | 光管直径(mm) | v | y方向速度，m/s | |
A | 截面积(m2) | w | z方向速度，m/s | |
流体密度(kg/m3) | P | 压力，Pa | ||
流体速度(m/s) | 进口温度(K) | |||
Re | 雷诺数 | 出口温度(K) | ||
流体粘度kg/(m·s) | Nu | 努塞尔(Nusselt)数， | ||
空气比热kJ/(kg·K) | Pr | 普朗特(prandlt)数， | ||
k | 流体导热系数 W/(m·K) | h | 对流传热表面传热系数，W/(m2·K) | |
第1章 绪论
1.1 波纹管的发展
20世纪70年代以后,随着计算机技术的飞速发展,有限元分析在结构分析中的地位日渐突出,许多商用有限元软件应运而生。有限元分析以其在解决几何非线性、材料非线性和结构非线性问题方向的独特优势而为愈来愈多的研究人员所接受。非线性有限元计算能够有效地解决传统的解析法无法计算的波纹管弹塑性大变形范围内的载荷-应力响应问题。研究表明:利用非线性有限元分析,可以较好地模拟真实波纹管的载荷-应力响应。用于单层波纹管的结构分析,结果是可靠的,并且与试验数据较为吻合[1]。比如赵连声等用非线性有限元分析了单层U形波纹管的强度,用八节点空间壳单元对波纹管作非线性(包括几何和材料)分析,所得到的应力大小较接近实测,应力分布规律符合实际。用此单元可以较好的解决波纹管的强度、振动,稳定性等问题,并进一步对带初始缺陷的稳定性问题进行了研究[2],随着研究的不断深入,在对多层波纹管模型在轴向拉伸、内压和联合载荷下的应力分布的研究方面,也取得了较大的进展。实践表明,有限元接触分析也能很好地模拟波纹管层间关系[3]。在现代的研究方法中,除了有限元法之外,人工智能技术也被用于波纹管的研究[4],方法是建立一种基于BP神经网络的膨胀节低周疲劳寿命估算模型,通过实例样本学习,获取了应有的知识(权重),就可以估算未知的疲劳寿命。这种方法简单、准确,适合波形膨胀节的快速寿命预测。
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