本文關(guān)鍵詞：基于熱流固耦合的換熱器管束數(shù)值模擬分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：管殼式換熱器由于其結(jié)構(gòu)堅固、可靠性高以及操作靈活等特點在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。換熱管是管殼式換熱器中最為薄弱的部件,溫差引起的熱應(yīng)力以及高速流體引發(fā)的換熱器管束振動都極易造成換熱管的損壞。因此,對實際工作狀態(tài)下的換熱管束進行研究,對提高換熱器壽命以及經(jīng)濟效益都具有重大的實際意義。本文以某管殼式空氣換熱器作為研究對象,采用多物理場耦合的方法,建立該空氣換熱器的有限元模型并進行熱流固耦合分析。通過FLUENT軟件對換熱器管程、殼程內(nèi)流場進行數(shù)值模擬,將得到的流場數(shù)據(jù)通過耦合面?zhèn)鬟f至結(jié)構(gòu)分析中,并作為載荷施加在換熱器模型上,對比不同載荷條件下的換熱管束的應(yīng)力分布。結(jié)果表明,溫差引起的熱應(yīng)力對換熱管束的總應(yīng)力分布影響比較大,而流體壓力載荷對換熱管束的影響很小。根據(jù)換熱器流場模擬的結(jié)果,計算出換熱管所受流體激振力,并作為載荷施加到簡化后的換熱管有限元模型上,模擬出換熱管應(yīng)力分布及變化。結(jié)果表明,旋渦脫落引起的激振力使得殼程入口處的換熱管產(chǎn)生了較大的循環(huán)應(yīng)力,容易引發(fā)換熱管振動,使得換熱管束發(fā)生疲勞破壞。采用動網(wǎng)格技術(shù)和雙向流固耦合的方法對V=30m/s時殼程入口處的流體和換熱管束進行了分析。結(jié)果表明流體以該流速流動時,換熱管束應(yīng)力以及變形都很小,并在很短時間內(nèi)達到平衡,判斷流體彈性不穩(wěn)定不會引起換熱管束的劇烈振動,對換熱管束的影響很小。綜上所述,該空氣換熱器管束失效的主要原因是由溫差引起的熱應(yīng)力,而殼程流體流動誘導(dǎo)換熱管束振動加速了換熱管束的失效,其振動機理是旋渦脫落和湍流抖振,流體彈性不穩(wěn)定不會引起換熱管束振動。由于溫差引起的熱變形使換熱管束與隔板接觸,并產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中,當管束振動時管壁與隔板孔之間碰撞接觸,產(chǎn)生了較高的應(yīng)力,使換熱管束在隔板部位因磨損失效或者剪切失效,直至管壁開裂。
【關(guān)鍵詞】：換熱器 換熱管束 熱流固耦合 流體誘導(dǎo)振動
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK172
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-16
• 1.1 換熱器概況10-11
• 1.2 國內(nèi)外換熱器標準規(guī)范及研究現(xiàn)狀11
• 1.3 熱流固耦合研究的發(fā)展狀況11-12
• 1.4 流體誘導(dǎo)振動的研究概況12-14
• 1.5 課題主要研究內(nèi)容14-16
• 2 流體力學基礎(chǔ)和數(shù)值模擬簡介16-23
• 2.1 流體力學與計算流體力學基礎(chǔ)16-19
• 2.1.1 控制方程16-17
• 2.1.2 湍流模型17-18
• 2.1.3 流體控制方程的初始條件及邊界條件18-19
• 2.2 數(shù)值模擬簡介19-23
• 2.2.1 有限元法概論19-20
• 2.2.2 ANSYS Workbench數(shù)值模擬軟件簡介20
• 2.2.3 熱流固耦合控制方程20-21
• 2.2.4 ANSYS熱流固耦合分析21-23
• 3 換熱器的熱流固耦合數(shù)值模擬分析23-43
• 3.1 換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸及工藝條件23-24
• 3.2 換熱器的三維有限元模型24-26
• 3.2.1 模型簡化24-25
• 3.2.2 有限元模型網(wǎng)格劃分25-26
• 3.3 換熱器管程和殼程流場數(shù)值模擬分析26-33
• 3.3.1 湍流模型26-27
• 3.3.2 邊界條件計算27-28
• 3.3.3 流場計算方法28
• 3.3.4 換熱器流場數(shù)值模擬分析結(jié)果28-33
• 3.4 換熱器溫度場分析33-34
• 3.4.1 溫度場邊界條件33
• 3.4.2 熱流固耦合溫度場結(jié)果33-34
• 3.4.3 換熱管束溫度場分析34
• 3.5 換熱器應(yīng)力場數(shù)值模擬分析34-41
• 3.5.1 換熱器載荷邊界條件34-35
• 3.5.2 熱流固耦合應(yīng)力場結(jié)果及分析35-41
• 3.6 本章小結(jié)41-43
• 4 換熱管束的流體誘導(dǎo)振動計算方法43-53
• 4.1 流體誘導(dǎo)換熱器管束振動機理43-45
• 4.2 換熱管束固有頻率的理論計算45-46
• 4.3 換熱管束固有頻率的有限元計算46-50
• 4.3.1 模態(tài)分析基礎(chǔ)46-47
• 4.3.2 換熱管束模型簡化與求解47-49
• 4.3.3 結(jié)果分析49-50
• 4.4 流體誘發(fā)換熱管束振動的理論計算50-52
• 4.4.1 流體誘發(fā)振動計算公式50-51
• 4.4.2 流體誘發(fā)換熱管束振動的判斷51-52
• 4.5 本章小結(jié)52-53
• 5 換熱管束的流體誘導(dǎo)振動有限元分析53-71
• 5.1 圓柱繞流的數(shù)值模擬53-57
• 5.1.1 計算模型53
• 5.1.2 結(jié)果分析53-57
• 5.2 圓管繞流旋渦誘導(dǎo)換熱管束振動的數(shù)值模擬57-62
• 5.2.1 載荷計算57
• 5.2.2 模型建立與求解57-58
• 5.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析58-62
• 5.3 流體彈性不穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析62-70
• 5.3.1 動網(wǎng)格基礎(chǔ)62-63
• 5.3.2 雙向流固耦合的有限元模型63-65
• 5.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析65-70
• 5.4 本章小結(jié)70-71
• 結(jié)論71-73
• 參考文獻73-77
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表學術(shù)論文情況77-78
• 致謝78-79

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 郭崇志;周潔;;固定管板式換熱器的溫差熱應(yīng)力數(shù)值分析[J];化工機械;2009年01期

  本文關(guān)鍵詞：基于熱流固耦合的換熱器管束數(shù)值模擬分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：356171