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独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：饲闩纾 日 期：加7 石 汐 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口年半口两年团 学位论文作者签名：御l 纤 导师签名： 1， 签字日期：卫咖翟，f 如 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 具有螺旋形插件换热管的流场及温度场分析 摘要 换热器是热力过程中的关键设备，广泛应用于能源、动力、化工、冶金、机 械、交通、航空与航天等领域。换热器不仅是为了满足工艺的特定需要，而且也 是回收能量、节约能量的有效装置，在回收利用余、废热能方面发挥着重大作用。 7 0 年代的世界能源危机，有力地促进了强化传热技术的发展。为了节约能源降低 消耗，提高工业生产经济效益，要求开发适用于不同工业过程的高性能换热设备。 具有螺旋形插件换热器正是适应现代化生产的需要，在传统管壳式换热器的基础 上开发出来的一种新型高效节能的换热器。本文主要采用数值模拟和数学分析的 方法对具有螺旋形插件换热器进行系统的研究，主要的研究工作如下： ( 1 ) 本文将对流传热的场协同理论应用于具有螺旋形插件的换热器的管内传 热与流阻特性研究，并将换热性能和无螺旋形插件换热管的换热性能相比较，得 到改进后的传热特性结果。具有螺旋形插件换热器管内气体产生以旋转为主要特 征的复杂螺旋流动和涡流相混合的气体流动。空气在流动过程中获得较强的旋转 扰动，流动速度有所减慢，从而较大程度地改善了传热系数，空气传热得到强化。 ( 2 ) 利用数值模拟的方法，研究了流体流动状态、物性参数和螺旋形插件对换 热管内传热与流阻特性的影响，表明具有螺旋形插件的换热管这种强化传热元件 的强化传热效果和特点。与无螺旋形插件的换热器性能比较，换热器综合性能得 到极大的改善。 ( 3 ) 利用多种螺距螺旋形插件换热管模型进行模拟分析，并和无螺旋形插件换 热器相比较，得到螺旋形插件螺距的几何尺寸对流体流动状态、管内传热与流阻 特性的影响情况，得出具有螺旋形插件换热管的换热器相对于传统管壳式换热器 的强化传热优势和特点，通过对不同螺距螺旋形插件换热管的分析，得到螺旋形 插件螺距与换热管换热性能之间的关系，确定螺旋形插件螺距的最佳取值范围。 ( 4 ) 对数值模拟的参数化方法进行了介绍，并通过实例详细的说明利用有限元 分析软件a n s y s 进行参数化分析的过程和方法。利用a n s y s 参数化语言a p d l 开发出换热管的参数化分析程序。 关键词：换热器；螺旋形插件；数值模拟；参数化方法 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i so nt e m p e r a t u r ef i e l da n df l o w f i e l do f r e c u p e r a t o r w i t hs p i r a l i t yt y p ei n s e r t e dp i e c e a bs t r a c t t h eh e a te x c h a n g e rw h i c hi sak e ye q u i p m e n ti nt h et h e r m o d y n a m i ce n e r g yp r o c e s s h a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fe n e r g ye n g i n e e r i n g ，p o w e ri n d u s t r y ，c h e m i c a l i n d u s t r y , m e t a l l u r g y , m e c h a n i s m ，a v i g a t i o na n ds oo n t h eh e a te x c h a n g e ri s n o to n l ya p i e c eo fe q u i p m e n tw h i c hs a t i s f i e st h ep a r t i c u l a rd e m a n do ft e c h n o l o g y , b u ta l s oa n e f f e c t i v ed e v i c ef o re n e r g yr e c y c l i n ga n ds a v i n g t h ee n e r g yc r i s i so f19 7 0 sa c c e l e r a t e d t h ed e v e l o p m e n to fh e a tt r a n s f e re n h a n c i n gt e c h n o l o g yd r a m a t i c a l l y i no r d e rt or e d u c e t h ee n e r g yc o n s u m i n ga n de n h a n c eg o o de c o n o m i cr e t u r n s ，d e v e l o p i n gh i g hp e r f o r m a n c e h e a te x c h a n g e rw h i c hi sa p p l i c a b l ef o rd i f i e r e n ti n d u s t r yp r o c e s si sr e q u i r e d t w i s t e d t u b eh e a te x c h a n g e ri si u s tt h ek i n do fe q u i p m e n tw h i c hi sd e v e l o p e df r o mc o n v e n t i o n a l s h e l l t u b eh e a te x c h a n g e ra n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so fm o d e mi n d u s t r i e s t h i sw o r k m a i n l ya d o p tt h ew a yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm a t h e m a t i c sa n a l y s et or e s e a r c ht h e s y s t e ma b o u tt h eh e a te x c h a n g e rp o s s e s s i n gt w i s t e dt u b e t h em a i nw o r ko ft h es t u d yi s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ef i e l ds y n e r g yt h e o r yo fc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rw a sa p p l i e dt ot h ep i p eh e a t t r a n s f o ra n dt h ef l o wr e s i s t a n c e sc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh e a te x c h a n g ew i t ht w i s t e dt u b e a l s o ，c o m p a r i n gt h eh e a te x c h a n g e rp e r f o r m a n c ew i t ht h e h e a te x c h a n g e rw i t h o u t t w i s t e dt u b e ，t h i sw o r kf i n d st h ei m p r o v e da n a l y s i sr e s u l t s t h eg a si nt h ep i p eo ft h e h e a te x c h a n g ew i t ht w i s t e dt u b eb r i n g sc o m p l e xs p i r a lf l o wa n dt h eg a sf l o wo fm i x e d e d d ya st h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a t i n g a i rf l o w si nt h ec o u r s eo ft h er o t a t i o nw a s s t r o n gd i s t u r b a n c ew h o s ef l o wr a t eh a ss l o w e dd o w n t h u s t h eh e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t h a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da n da i rh e a tt r a n s f e rh a sb e e ns t r e n g t h e n e d ( 2 ) m a k i n gu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h i sw o r ks t u d y sf l o ws t a t eo f f l u i d ，p h y s i c a lp a r a m e t e r sa n dt h eh e a te x c h a n g ew i t ht w i s t e dt u b ew h i c hb r i n g st h e i m p a c tt o t h eh e a te x c h a n g e r st h ep i p eh e a tt r a n s f e ra n dt h ef l o wr e s i s t a n c e s c h a r a c t e r i s t i c s w h i c hf i n d st h eh e a te x c h a n g e rw i t ht w i s t e dt u b ep o s s e s s e se m c i e n th e a t t r a n s f e r e f f e c t s c o m p a r i n g w i t ht h eh e a t e x c h a n g e r w i t h o u tt w i s t e d t u b e ，t h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a te x c h a n g e rw a sg r e a t l yi m p r o v e d ( 3 ) m a k i n gu s eo fs i m u l a t i o na n a l y s i so fh e a te x c h a n g e rw h i c hh a sav a r i e t yo f p i t c h e st w i s t e dt u b ea n dc o m p a r i n gw i t ht h eh e a te x c h a n g e rw i t h o u tt w i s t e dt u b e ，t h e w o r kf i n d st h ei m p a c to f f l o ws t a t eo ff l u i d ，t h ep i p eh e a tt r a n s f e r ，t h ef l o wr e s i s t a n c e s c h a r a c t e r i s t i c sb r o u g h tb yt h eg e o m e t r yd i m e n s i o no fs p i r a l i t yp l u g - i np i t c ha n de d u c e s a d v a n t a g e sa n dt r a i t so ft h eh e a te x c h a n g e rw i t ht w i s t e dt u b ec o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a l c e l l p a c k i n gt y p eh e a te x c h a n g e r t h r o u g ht h ea n a l y s i st oh e a te x c h a n g e rw i t ht w i s t e d t u b eo fd i f f e r e n tp i t c h e s ，t h i sw o r kf i n d st h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep i t h e so ft w i s t e dt u b e a n dt h ec a p a b i l i t yo fc h a n g i n gh e a ta n dc o n f i r m st h eb e s tb o u n do ft w i s t e dt u b e sp i t c h i i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t ( 4 ) t h i sw o r ki n t r o d u c e st h ep a r a m e t e rm e t h o d so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e p a r a m e t e rp r o c e s sa n dm e t h o di na n s y st h r o u g he x a m p l e so fd e t a i l e de x p l a n a t i o n m o r e o v e r , t h ep a r a m e t e r sp r o c e s sw a sd e v e l o p e db ym a k i n gu s eo fp a r a m e t e rl a n g u a g e a p d li na n s y s k e y w o r d s ：h e a te x c h a n g e r ；t w i s t e dp i n o u t s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p a r a m e t e r m e t h o d 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 捅要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 换热器技术的发展概述1 1 2 换热器的分类及其特点2 1 3 换热器研究现状及发展动向2 1 3 1 国内外研究现状2 1 3 2 换热器研究与发展动向3 1 3 3 螺旋流强化壳程换热的研究5 1 4 课题的研究内容及方法6 1 4 1 本课题研究主要内容6 1 4 2 本课题研究方法7 1 5 小结7 第2 章螺旋形插件换热管数值模拟基础8 2 1 换热性能分析理论基础8 2 1 1 流体力学基础知识简介8 2 1 2 工程传热学简介8 2 1 3 有关旋流强化传热机理9 2 1 4 具有螺旋形插件换热管在强化换热上的优势1 0 2 2 物理模型的建立1 2 2 2 1 建立物理模型的基本假设1 2 2 2 2 物理模型的建立1 2 2 3 数学模型的建立1 4 2 3 1 质量守恒方程1 5 2 3 2 动量守恒方程1 5 2 3 3 能量守恒方程1 6 2 3 4 湍流模型l6 2 4 小结2 0 第3 章螺旋形插件换热管有限元模型建立2 l 3 1 数值模拟概述2 1 3 1 1 预测的方法2 1 3 1 2 数值模拟的优点2 l 3 1 3 数值模拟方法简介2 2 3 2 有限元软件a n s y s 简介2 4 3 2 1a n s y s 软件分析模块及应用2 4 3 2 2a n s y s 软件应用的技术特点2 4 3 2 3a n s y s f l o t r a n 模块简介2 5 v 东北大学硕士学位论文目录 3 3 具有螺旋形插件换热管的有限元模型建立2 7 3 3 1 实体模型的建立2 7 3 3 2 有限元模型的建立2 9 3 4 小结3 2 第4 章螺旋形插件换热管数值模拟研究3 3 4 1 流场和温度场耦合分析与原理简介3 3 4 2 有限元模型载荷施加与流体热分析设置3 3 4 2 1 有限元模型载荷施加3 3 3 7 3 8 分析3 8 析41 场性能对比4 2 4 5 4 6 4 6 4 6 现4 6 4 7 关系4 7 4 9 ! ；l ! ；1 ! ；：； ! ；7 ! ；8 ! ；8 ! ；8 6 ( ) 6 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 换热器技术的发展概述 过程工业如化学、石油、化工、食品、动力、冶金和原子能等工业部门直接创造 着社会财富，对一个国家的经济起着至关重要的重用。近年来，石油化工已经在我国 国民经济中成为一个重要的支柱产业，并在我国国民经济中占有越来越重要的地位。 因此，掌握石油化工行业的新知识、进行石油化工行业领域内的技术革新，对于我国 石油化工行业，特别是在国内石油化工设备方面远落后于欧美发达国家、能源问题越 来越突出的前提下，显得尤为重要。国内大型石油化工企业所使用的关键设备大部分 是购买国外的，而且是发达国家上个世纪七、八十年代的产品，很多处于超期服役的 状态。 换热器是一种实现物料之间热量传递的节能工艺设备，在炼油、化工装置中换热 器占总数量的4 0 左右，占总投资的3 0 4 5 i j 。近年来随着节能技术的发展，应用领 域不断扩大，利用换热器进行高温和低温热能回收带来了显著的经济效益。 换热器在工、农业的各领域应用十分广泛，在日常生活中传热设备也随处可见， 是不可缺少的工艺设备之一，因此换热设备的研究备受世界各国政府及研究机构的高 度重视。自从世界第一次能源危机爆发以来，各国都在大力寻找新的能源及在节约能 源上研究新途径。在研究投入大、人力资源配备充分的情况下，一批具有代表性的高 效换热器和强化传热元件诞生了，如板翅式换热器、大型板壳式换热器和强化沸腾的 表面多孔管、t 形翅片管、强化冷凝的螺纹管和锯齿管等，社会效益非常显著，大大 缓解了能源的紧张状况。 国内的各研究机构、高等院校对传热理论及高效换热器的研究一直非常重视，走 过了从引进、消化、吸收、发展到自主开发的历程。从2 0 世纪5 0 至6 0 年代的照搬发 展到7 0 年代的消化吸收，进入8 0 年代以来国内又出现了自主开发传热技术的新趋势， 大量的强化传热元件被推向市场，形成第一次传热开发浪潮。到9 0 年代中期，大量的 强化传热技术应用于工业装置中，带来了良好的社会效益和经济效益。近几年国内应 用的强化传热技术基本上是8 0 年代中期开发的，由于国内市场较大，使用者多不了解， 认为很多技术都是新开发的。在9 0 年代大量应用的基础上，积累了大量的经验，预计 在今后几年将会再掀起一次传热技术开发的高潮。 近年来国内在节能、增效等方面改进换热器性能，在提高传热效率，减少传热面 积，降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著的成绩。流程优化软件技术 的发展带来了换热器应用的增多。换热器的大量使用有效地提高了能源的利用率，使 企业成本降低，效益提高。 - 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 换热器的分类及其特点 工业生产中使用的换热器型式很多，而且仍在不断发展。按使用目的不同，换热 器可分为加热器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。由于使用的条件和工作的环境不同， 换热器又有各种各样的型式和结构。按传热原理和实现热交换的方法，换热器可分为 间壁式、混合式和蓄热式3 类，其中以间壁式换热器应用最为普遍。间壁式换热器种 类很多，如夹套式换热器、套管式换热器、蛇管式换热器、板式换热器、板翅式换热 器和列管式换热器，列管式换热器又叫做管壳式换热器，是目前应用最广泛的一种换 热器。 管壳式换热器的应用已有十分悠久的历史。管壳式换热器是一种传统的标准换热 设备，广泛应用于化工、石油、制冷、核能和动力等工业。由于世界性的能源危机， 工业生产中对换热器的需求量越来越多，对换热器的质量要求也越来越高。在近代的 许多化工过程中，如裂解、合成和聚合等，大都要求在高温高压下进行，有的压力高 达2 5 0m p a ，温度则高达7 5 0 ，且有腐蚀的情况下，实现换热更困难。而管壳式结 构具有选材范围广、换热表面清洗方便、适应性强、处理能力大、能承受高温和高压 等特点【2 】。一方面，伴随着现代化工厂生产规模的日益增大，换热设备也相应地向大 型化方向发展，以降低动力消耗和金属消耗；另一方面，随着精细化工的迅速崛起， 换热设备也有向小而精方向发展的趋判3 1 。管壳式结构的换热器能满足这样的要求。 近几十年来，随着紧凑式换热器( 板式、板翅式等) 、热管式换热器和直接接触式 换热器等的发展，管壳式换热器面临着挑战。在某些场合，管壳式换热器已被一些新 型换热器所取代，但由于管壳式换热器具有高度的可靠性和广泛的适应性，它的产量 至今仍占统治地位。目前工业装置中管壳式换热器的用量占全部用量的7 0 。管壳式 换热器结构也有较大的改进和发展，从原来传统的弓形隔板和光滑管相结合的结构， 发展为其它类型的管间支撑物和强化管相结合的结构，由于这些结构上的改进，使得 管壳式换热器的传热与流体阻力性能有了明显的改善，加上本身固有的优点，如耐高 温、耐高压、结构简单和清洗方便等，使得管壳式换热器在激烈的换热器竞争中得以 生存和发展。 1 3 换热器研究现状及发展动向 1 3 1 国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代以来，换热器技术飞速发展，带来了能源利用率的提高。各种新 型、高效换热器的相继开发与应用带来了巨大的社会经济效益，能源日趋紧张、全球 气温的不断升高和环境保护要求的提高给换热器、空冷式换热器和高温、高压换热器 带来了日益广阔的应用前景，节能设备的开发与应用备受世界瞩目。在地热、太阳能、 - 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 核能、余热回收、风能的利用上，各国政府、研究结构和企业都加大了投入资金力度， 在未来几年内换热器技术会有很大的发展空间。 国内各研究机构和高等院校不断出现新的研究成果，在强化传热软件方面华南理 工大学相继开发出了关于表面多孔管、螺旋槽管、波纹管和纵横管等的软件；天津大 学在流路分析法和振动等方面研究成果显著；清华大学在板片传热方面有深入的研究； 西安交通大学在板翅式换热器研究方面取得初步成果；重庆建工学院开发出翅管换热 器；在强度软件方面化工设备设计技术中心站开发出s w 6 软件；在液压胀管方面江苏 化工学院开发出液压胀管器；兰州石油机械研究所率先开发出板式换热器、冷凝器、 蒸发器、螺旋板、板壳式、螺纹管、折流杆、外导流筒换热器、高效重沸器、新结构 高效换热器、q 锁紧环换热器、表面蒸发空冷器和板式空冷器等一批系列高效换热器， 近年来又在强度软件上开发出l a n s y s p v ，在c a d 软件上开发出浮头式换热器 l a n s y s h f 和u 形管式换热器l a n s y s h u 等系列c a d 软件，含标准图2 0 0 0 多套；中国 石化工程建设公司与兰州石油化工机械厂联合开发出螺纹锁紧环换热器；西安交通大 学、兰州第五化工设计院和宁夏化工厂合作开发出螺旋管式换热器，这些技术成果为 国民经济的快速发展，为我国石油和化工工业的发展起到了重要作用，也使全国的传 热技术水平步入了国际先进水平。 国外主要是各大型的传热研究公司在从事这方面先进技术的研究与推广应用。美 国传热研究公司( h e a tt r a n s f e rr e s e a r c hi n c ) 即h t r i ，是1 9 6 2 年发起组建的一个国际 性研究机构，取得了大量的成果，积累了丰富的换热器设计经验，在传热机理、两相 流、振动、污垢、模拟和测试技术方面作出了巨大贡献。近年来，该公司在计算机应 用软件开发方面发展很快，所开发的网络优化软件、各种换热器工艺设计软件计算精 度准确，不仅节省了人力、提高了效率，而且提高了技术经济性能。目前国内近2 0 多家h t r i 会员。英国的传热及流体服务中心( h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o ws e r v i c e ) 即h t f s ，于1 9 6 7 年成立，长期从事传热和流体课题的研究，所积累的经验和研究成 果不仅应用于原子能工业，而且用于一般工业，研究成果显著。在传热和流体计算上 更精确，开发的h t f s 和t a s c 各类换热器微机计算软件得到广泛应用1 4j 。 1 3 2 换热器研究与发展动向 1 3 2 1 物性模拟研究 换热器传热和流体流动计算的准确性，取决于物性模拟的准确性，因此，物性模 拟一直为传热界重点研究课题之一，特别是两相流物性的模拟。两相流的物性基础来 源于实验室实际工况的模拟，实验室模拟实际工况很复杂，准确性主要体现在与实际 工况的差别上。纯组分介质的物性数据基本上准确，但油气组成物的数据就与实际工 况相差较大，特别是带有固体颗粒的流体模拟更复杂。物性模拟将代表换热器的经济 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 技术水平【5 1 。 1 3 2 2 分析设计的研究 分析设计是近代发展的一门新兴科学，a n s y s 软件一直处于国际领先技术，通过 分析设计可以得到流体的流动分布场，也可以将温度场模拟出来，这给流路分析法技 常规强度计算带来更准确、更便捷的手段。在超常规强度计算 图，使常规方法无法得到的结果能方便、快捷、准确地得到， 。这一技术随着计算机的普及应用，将带来技术水平的飞跃【6 1 。 究 的大型化而大型化，直径将超过5 m ，传热面积将达到1 0 0 0 0m 2 ， 泛应用。板壳式、折流杆、板翅式换热器和板式空冷器将得到 克服，高温、高压、安全和可靠的换热器结构将朝着简单、制 发展。随着全球水资源的紧张，循环水将被新的冷却介质取代， 空冷器取代。保温技术的发展，热量损失将减少到目前的一半 热器将逐步取代现有常规产品。电场动力效应强化传热技术、 术、通入惰性气体强化传热技术、滴状冷凝技术、微生物传热 术将会在新世纪得到研究和发展。同心管、高温喷流式、印刷 度、微通道、流化床和新能源等类型换热器将在工业领域及其 【8 】 o 、制造简单、防腐效果好、重量轻的方向发展。随着稀有金属 稀有金属使用量将扩大，c r m o 钢材将实现不预热和后热的方 的研究 求的提高，污垢研究越来越受到各国的重视。通过对污垢形成 响因素的研究，预测污垢曲线，从而控制结垢，这对传热效率 破。腐蚀技术的研究将会有所突破，低成本的防腐涂层特别是 到发展，电化学防腐技术将成为主导。 管壳式换热器的研究主要集中于两个方面：一方面是通过提高 元件本身的表面形状和处理方法获得粗糙表面和扩展表面，或 身的扰流等方法，来达到强化传热的目的；另一方面是为了大 要求所进行的结构改进，从而达到提高换热器结构的紧凑程度， 及改善传热等目的1 0 】【1 2 1 。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计法( c a d ) 和基于计算流体动力学( c f d ) 和数值传热学的设计方法将是本世纪管壳式换热器的2 种主要设计方法；同时，为了 进行有效的管壳式换热器工艺设计，还需要面对目前存在的诸如多相流动及传热、最 优化、传热强化、流体振动、污垢、高粘度流体、物性数据库、湍流、非线性传热、 换热器中流动及传热过程的数值模拟等十大挑战性难题，这也是未来的研究方向 1 3 1 【l5 1 。 1 3 3 螺旋流强化壳程换热的研究 l u t c h a 和n e m e a n s 于1 9 8 3 年就己提出壳程流体作螺旋运动可以强化换热器壳程 传热，近年来重新对它进行开发研究，发现其螺旋形折流孔板基本可以消除弓形折流 孔板的返混现象，可提高有效传热温差。螺旋通道内的柱状流的速度梯度影响了边界 层的形成，使传热系数有较大的增加，基本不存在流动与传热死区。l u t c h a 等在文献 中系统地对不同螺旋角的换热器传热与流阻性能进行了实验研究，提出了最优的换热 器结构参数，认为螺旋角为4 0 度时换热器的传热与流阻性能最优，与弓形隔板换热器 比较后，得出螺旋隔板换热器具有优良的传热性能和较低流动阻力。近年，螺旋折流 孔板换热器( 如图1 1 已在石化行业开始应用，由于生产和设计的需要，西安交通大学、 抚顺石油学院开始对螺旋折流孔板换热器作更深入的研究。陈世醒等分别采用螺旋折 流孔板换热器和普通弓形折流孔板换热器进行了传热中试验，结果表明螺旋折流孔板 换热器不仅适用于低粘度流体，同样适用于高粘度流体。曾文良等研究了将螺旋折流 孔板换热器用于气体压缩机冷却器的传热效果 1 6 - 2 0 】。扰流柱( 在螺旋板式换热器中称 之为定距柱) 强化传热也是一种通过某种扰流元件，增加湍流程度的无源强化传热技术 的一种方式【2 l 】瞄】。 f 辔。： 蟹唧 图1 1 螺旋板式换热器 f i g 1 1s p i r a lp l a t eh e a te x c h a n g e r 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 课题的研究内容及方法 1 4 1 本课题研究主要内容 本文所分析设计的换热器扰流模型是在总结前人的基础上的进行的进一步改进， 改进后的螺旋形插件制造加工更为容易，不但降低了成本，提高了生产效率，同时提 高了换热效率。结构如图1 2 所示。 由于把制造难度很大的包含整个管束的大型螺旋曲面简化为制造较容易的内嵌在 每根管子内的螺旋形插件，将流体在管侧的层流运动变为许多局部的螺旋湍流运动， 同时，螺旋形插件可由普通的薄钢板扭曲而成，低成本、低能耗、并且可获得较好的 强化传热效果。 图1 2 具有螺旋形插件换热管 f i g 1 2h e a tt u b eo fs c r e w ya c c e s s o r y 数值模拟相对于实验研究有着不可取替代的优势，本文利用大型有限元分析软件 a n s y s 中的a n s y s f l o t 凡模块对螺旋形插件换热器进行研究，着眼于管内流场、 温度场的细节信息，分析螺旋形插件强化传热的效果，对其强化机理作进一步探讨。 具体来讲，本文主要包括以下几点内容： ( 1 ) 遵循由浅入深的原则，首先研究螺旋形插件强化单管管内流场、温度场的特点， 并讨论不同结构参数的螺旋形插件对壳程流动与换热性能的影响。 ( 2 ) 本文采用a n s y s f l o t r a n 软件中所提供的改进k e 修正模型进行模拟计 算，本文中采用改进的k s 湍流模型对不同螺距条件下的管内传热、阻力特性进行计 算，比较各个不同螺旋形插件螺距模型的模拟结果，并对模拟结果做出合理分析。 ( 3 ) 在螺旋形插件强化单管管内流场及温度场分析的基础上，研究管通道中的速度 场与温度场分布特点，比较不同螺旋形插件螺距和装与不装螺旋形插件的两种情形下， 管内流动特性与传热特性的差别，对换热效率的改善进行评定。 ( 4 ) 对有限元软件建立参数化分析程序，实现分析模拟过程的自动化。 ( 5 ) 在总结本文所做工作和所得出结论的基础上，简单介绍后续理论，为研究工作 的延续搭好桥梁。 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 2 本课题研究方法 对于课题的研究，按照如下的方法进行： 根据现有的分析理论对换热器建立合理的物理模型和数学模型，在此基础上，在 三维软件p r o e 中建立具有螺旋形插件换热器的三维实体模型，利用有限元分析软件 a n s y s 进行流场和温度场的数值模拟。有无螺旋形插件的换热器结果进行模拟分析， 得到换热器的性能改善程度。对不同螺距的螺旋形插件分别进行模拟，并且用m a t l a b 软件对得到的流场和温度场的结果数据进行分析，找到最佳的螺距取值范围。用a p d l 语言编写参数化分析程序，提高数值模拟的效率。 1 5 小结 换热器是石油化工等领域重要的设备，本章详细的阐述了国内外换热器研究方面 的发展状况与发展趋势。前人已经提出了很多改善换热器换热性能的设想和方法，对 换热器性能的改善有很多宝贵的经验。本课题基于此提出了使用螺旋形插件对气体与 气体间换热的换热器换热性能改善的方法，并且论述了研究所采用的方法与路线，为 后续研究工作的开展做了铺垫。 7 东北大学硕士学位论文 第2 章螺旋形插件换热管数值模拟基础 第2 章螺旋形插件换热管数值模拟基础 201 换热性能分析理论基础 2 1 - 1 流体力学基础知识简介 计算流体动力学在近二三十年中有了突飞猛进的发展，而且正在以更快的速度前 进。推动这一发展的原因，一方面是实际问题的需要；另一方面是计算机技术的飞速 发展和巨型计算机的出现。计算流体动力学是多种领域的交叉学科，它所涉及的学科 有流体力学、偏微分方程的数学理论、计算几何、数值分析、计算机科学等【2 3 】。 计算流体力学的发展促进了这些学科的进一步发展。最终体现计算流体力学水平 的是解决实际问题的能力。简而言之，流体流动的数值模拟即在计算机上做实验。它 在计算域内离散空气流动遵循的流体动力学方程组，将强烈非线性的偏微分方程组转 变为代数方程组，再采用一定的数值计算技术求解之，从而获得整个计算区域内流场 分布的详细信息，最后可将结果用计算机图形学技术形象直观地表示出来。这就是所 谓的计算流体动力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 。由于实际空气是粘性流体， 流动基本为湍流流动，故这其中涉及湍流模拟技术【2 4 】。 2 1 2 工程传热学简介 传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。 传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高锅炉的蒸汽 产量、防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传 热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。 传热学作为学科形成于1 9 世纪。在热对流方面，英国科学家牛顿于1 7 0 1 年在估 算烧红铁棒的温度时，提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式，不过它并没有 揭示出对流换热的机理。 对流换热的真正发展是1 9 世纪末以后的事情。1 9 0 4 年德国物理学家普朗特的边 界层理论和1 9 1 5 年努塞尔的因次分析理论，为从理论和实验上正确理解和定量研究对 流换热奠定了基础。1 9 2 9 年，施密特指出了传质与传热的类同之处。 在热传导方面，法国物理学家毕奥于1 8 0 4 年得出的平壁导热实验结果是导热定律 的最早表述。稍后，法国的傅里叶运用数理方法，更准确地把它表述为后来称为傅里 叶定律的微分形式。 热辐射方面的理论比较复杂。1 8 6 0 年，基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体，论 证了在相同温度下以黑体的辐射率( 黑度) 为最大，并指出物体的辐射率与同温度下该 - 8 东北大学硕士学位论文第2 章螺旋形插件换热管数值模拟基础 物体的吸收率相等，被后人称为基尔霍夫定律。 1 8 7 8 年，斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实，1 8 8 4 年又为 玻耳兹曼在理论上所证明，称为斯忒藩玻耳兹曼定律，俗称四次方定律。1 9 0 0 年， 普朗克在研究空腔黑体辐射时，得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体 辐射与温度、频率的关系，还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。 传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。 热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相 邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。 热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到 的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综 合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。 热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0 1 - - 1 0 0 微米 之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接 传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的 四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导 致的热量转移称为辐射换热。 实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对 流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在 传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。 现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相 变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核 工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流 换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。 2 1 3 有关旋流强化传热机理 过增元院士提出的场协同理论对流体流动与传热的关系做出了精辟的本质的科学 分析，根据这个理论，强化传热的手段是通过有效地组织流体的流动来减小流动方向 与传热温度梯度方向的夹角。施明恒教授也进一步具体地提出了通过将传热壁面深入 流场内部和通过增强流体与壁面的作用度来强化传热的观点。因此对壳程传热的强化 无非是围绕着利用强化管或是管束支撑形成的传热面特殊形状来有效地组织流体的运 动，从而达到强化传热的目的 2 5 1 。 管壳式换热器根据其壳程流体