缠绕管式换热器数值模拟及数字样机技术研究

作     者：黄永曙 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄云云

授予年度：2017年

学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：缠绕管式换热器 螺旋管 数值模拟 数字样机 

摘      要：缠绕管式换热器结构紧凑、换热系数高、传热温差小,具有很大的使用潜力。虽然我国早已引进缠绕管式换热器,但相关的设计和制造技术仍然落后,对流体在缠绕管式换热器中的流动和传热特性以及结构对性能的影响缺乏研究。本文对缠绕管式换热器的壳程和管程流动与传热特性进行数值模拟研究,考察了不同结构参数对壳程性能的影响以及不同截面形状螺旋管的管程性能,研究数字样机技术在缠绕管式换热器中的应用,综合利用ICEM CFD、Fluent、MATLAB进行二次开发实现缠绕管式换热器数字样机的基本功能。本文主要工作和结论如下:(1)对缠绕管式换热器的模型进行了合理的简化,验证了数值模拟方法的可靠性。对缠绕管式换热器壳程的流体流动和传热进行分析,结果表明:径向流动是壳程流动的重要特征,换热管层两侧有显著的流体交换,提高了壳程的传热性能;内外侧间隙有短流现象,湍流发展较慢,场协同性低,传热性能较差;壳程中部的湍流发展较快,场协同性较好,传热性能优于内外两侧。(2)采用数值模拟方法分析盘管层数、换热管外径、垫条厚度以及轴向间距4个结构参数对缠绕式换热器壳程的流动和传热特性的影响,结果表明:随盘管层数C的增加,Nu数的变化可以忽略不计,阻力系数f增大,综合性能评价因子η基本保持不变;随换热管外径Dtube的增加,Nu数减小,阻力系数f增大,综合性能评价因子η减小;随垫条厚度b的增加,,N数增大,阻力系数f减小,综合性能评价因子f增大;随轴向间距δ的增大,N数先略微增大后略微减小,阻力系数f先增大后减小,综合性能评价因子η先略微增大后略微减小。(3)采用数值模拟方法分析不同尺寸圆形、椭圆形、矩形截面的6种螺旋管的管内流动、传热特性,结果表明:螺旋管内均产生了二次流,二次流影响不同螺旋管的换热性能;6种结构中圆管综合传热性能最好;通过场协同原理分析,表明螺旋管传热性能还有很大的改进空间,随着Re数的增大,主流的湍流对强化传热影响增大,而场协同的影响逐渐减小。(4)以数字样机的建模技术、仿真技术和可重构模块化设计技术为依据,对缠绕管式换热器的换热段进行了合理的模块划分,完成缠绕管式换热器数字样机的设计规划,并对ICEM CFD进行二次开发实现了参数化建模,对Fluent进行二次开发实现了 CFD的计算求解,利用MATLAB完成统一的、集成的人机交互界面,实现了缠绕管式换热器数字样机的基本功能。