【摘要】：液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為車(chē)用燃料在使用過(guò)程中會(huì)氣化成氣體,并釋放出大量的冷能。如果這部分冷能被回收,利用于汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng),將很大程度地節(jié)約能源。冷能回收系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備是換熱器,需要對(duì)換熱器進(jìn)行大量的理論計(jì)算和數(shù)值模擬,對(duì)換熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而確保換熱器的強(qiáng)化傳熱和節(jié)能效果�；趪�(guó)內(nèi)外LNG汽車(chē)?yán)淠芑厥占夹g(shù)的研究現(xiàn)狀,采用了螺旋套管換熱器作為L(zhǎng)NG汽車(chē)?yán)淠芑厥湛照{(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵換熱元件。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,對(duì)幾種不同截面形狀、不同幾何結(jié)構(gòu)的螺旋套管換熱器的傳熱特性進(jìn)行了研究。具體研究?jī)?nèi)容如下:第一,借助數(shù)值計(jì)算軟件Fluent的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)和理論基礎(chǔ)搭建模式,對(duì)換熱器內(nèi)部的流動(dòng)與熱交換過(guò)程的理論依據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。對(duì)已有參考文獻(xiàn)中液氮與LNG的換熱實(shí)驗(yàn)工況,進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,吻合良好,驗(yàn)證了所采用數(shù)值計(jì)算方法的可行性。第二,對(duì)不同截面形狀的LNG汽車(chē)?yán)淠芑厥章菪坠軗Q熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了相應(yīng)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和對(duì)流傳熱系數(shù)分布,確定了圓形截面換熱器的流場(chǎng)特性和換熱效果最佳,為后續(xù)螺旋套管換熱器的結(jié)構(gòu)選型和數(shù)值計(jì)算打下了基礎(chǔ)。第三,計(jì)算了加熱流體速度對(duì)LNG汽車(chē)?yán)淠芑厥章菪坠軗Q熱器內(nèi)流體流動(dòng)和換熱的影響,分別對(duì)不同螺旋中徑、不同螺旋節(jié)距的螺旋套管換熱器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,獲得了螺旋套管換熱器內(nèi)的流動(dòng)和傳熱特性,將為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文主要運(yùn)用了數(shù)值模擬的計(jì)算方法,確定了LNG汽車(chē)?yán)淠芑厥章菪坠軗Q熱器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的螺旋套管換熱器進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,得到了換熱器內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱的特性,為L(zhǎng)NG汽車(chē)?yán)淠芑厥章菪坠軗Q熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。
【圖文】：

圖 2.1 Fluent 應(yīng)用流程圖通過(guò)分區(qū)求解，許多復(fù)雜的問(wèn)題的耦合可以進(jìn)行分區(qū)處理，進(jìn)而使復(fù)雜的問(wèn)題得以簡(jiǎn)化，經(jīng)過(guò)處理之后，每個(gè)區(qū)域的計(jì)算精度還能夠相應(yīng)的增加，而對(duì)于收斂標(biāo)準(zhǔn)而言，需要在各個(gè)區(qū)域以及區(qū)域邊界上利用平衡條件進(jìn)行控制，該平衡條件為在劃分的不同區(qū)域內(nèi)求解的溫度和熱流具有一致性，當(dāng)然，在實(shí)際情況下，每個(gè)區(qū)域內(nèi)求解的溫度和熱流不可能完全一致，會(huì)存在一定的偏差，而通常在計(jì)算中只需要將偏差控制在合理的范圍內(nèi)（如 10e-5）即可。在耦合求解過(guò)程中，首先假定耦合邊界的溫度是能夠隨機(jī)設(shè)定的，某些情況下，為了利于收斂，應(yīng)當(dāng)設(shè)定一個(gè)比較合理的數(shù)值，這樣就能夠快速收斂以達(dá)到節(jié)省計(jì)算時(shí)間的目的。2.2 數(shù)值模擬的基本方程2.2.1 傳熱數(shù)值解析的基本方程以下是 FLUENT 用于求解流動(dòng)問(wèn)題的最基本的質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒方程（流

a) 換熱器幾何造型 b) 換熱器網(wǎng)格離散圖 2.3 換熱器幾何造型及其網(wǎng)格離散采用層流模型作為主控方程，并開(kāi)啟能量方程計(jì)算熱能的交換。換熱過(guò)程中非等溫流體間壁面的熱量交換是準(zhǔn)確計(jì)算換熱效果的關(guān)鍵，采用rior_wall 邊界條件作為熱流壁面。為保證計(jì)算精度，空間離散全部采用二階格式，迭代算法采用改進(jìn)的 SIMPLEC 算法，，并控制殘差精度為 1e-5。換熱工作時(shí)，氮?dú)鈴膿Q熱管外管流動(dòng)，液態(tài) LNG 從換熱器內(nèi)管入口處流入，通壁與外管內(nèi)的液氮進(jìn)行換熱，發(fā)生相變成氣態(tài) LNG，并從出口流出供汽車(chē)使用，所以在換熱器內(nèi)管為多相流流動(dòng)。本節(jié)采用 Mixture 混合相模型進(jìn)行流的數(shù)值計(jì)算，該模型屬于歐拉法，但可以考慮相間速度的小滑移情況。多中兩相間的反應(yīng)有動(dòng)量交換、化學(xué)反應(yīng)等，換熱器內(nèi)管只涉及 LNG 的相變，氣態(tài)和液態(tài) LNG 之間則沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，故應(yīng)主要考慮兩相間的動(dòng)量交換。，為充分考慮相間反應(yīng)，采用 evaporation-condensation 模型計(jì)算兩相間的動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U463.851;U469.75

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2711209