流体流动状态对换热器管板热应力场的影响研究论文.doc

毕业设计（论文）说明书学 院 化工学院 专 业 过程装备与控制工程 年 级 2006 姓 名 王 波 指导教师 谭 蔚 2009年06月18日毕业设计（论文）任务书流体流动状态对换热器管板热应力场的影响研究流体流动状态对换热器管板热应力场的影响研究一、原始依据（包括设计或论文的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等。）换热器是化工、炼油等工业中广泛应用的典型工艺设备，用来实现热量的传递，使热量从高温流体传给低温流体。在管壳式换热器中，管板是连接壳体、管束和管箱，并承受压力和热膨胀及上述三部件载荷的主要部件，是管壳式换热器不可缺少的重要组成部分。因此，正确分析管板受力状态，合理确定管板厚度，对保证换热器安全运行、节约材料和降低成本等起着非常重要的作用。常规的管板计算方法是根据弹性薄壳理论，用等效无孔实心板来代替多孔管板，采用比较简单的公式、曲线、图表进行设计计算，但是这些计算并没有考虑管板温度差引起的应力。目前，比较方便地处理温差应力的方法是利用有限元软件，通过施加温度载荷和对流载荷计算得到管板的温度场，进而得出管板的温差应力。但是这些载荷往往是将实际情况加以简化的结果，这就导致计算与实际情况存在着差异。本课题组长期从事换热器管板设计研究，一直探索用更为准确的流固耦合分析模型来代替传统的施加温度载荷和对流载荷的分析模型。曾经采用流固耦合分析模型与传统的两种管板分析模型对同一换热器管板进行模拟对比，发现流固耦合模型能够得到较为准确的温度场和热应力场。本论文拟利用流固耦合分析模型，分析研究流场的改变对换热器管板热应力场的影响研究。二、参考文献1 Singh K P, Holtz M. An Approximate Method for Evaluating the Temperature Field in Tubesheet Liaments of Tubular Heat Exchangers Under Steady State Conditions. ASME Journal of Engineering for Power,1982, 104: 9859002 Kasahara N, Iwata K. Simplified 2-dimensional Thermal Analysis Method Considering 3-dimensional Heat Transfer .Computational Mechanis 86,Springer Verlag,1986, 2: 1271373 Pressure Vessel Technology.Dusseldorf,Germang,19924 Weiya Jin, Zengliang Gao, Lihua Liang et al. Comparison of two FEA models for calculating stresses in shell-and-tube heat exchanger. International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2004, 81(6): 5635675 C.F.Qian, H.J.Yu, L.Yao. Finite Element Analysis and Experimental Investigation of Tubesheet Structure. Journal of Pressure Vessel Technology. 2009, 131(1), 011206:1 Ohol R D, Rane M T, Noras R A. A Finite Element Procedure for Temperature Distribution in Tubesheets .Proceedings of the 7th International Conference on -46 杨宏悦，蔡纪宁等. 大型固定管板式换热器管板稳态温度场及热应力场分析J. 化工设备与管道，2006(2): 11-157 刘海亮，于洪杰等. 采用实体模型的厚管板的有限元分析J. 石油化工设备设计，2005, 26(3): 1-58 冷纪桐，吕洪，章姚辉等. 某固定管板式换热器的温度场与热应力分析J. 北京化工大学学报，2004, 31(2): 104-1079 章姚辉，赵军，徐鸿. 换热器管板的应力分析与安全评定J. 化工设备与防腐蚀，2003(1): 26-2810 王泽军，杨念慈，荆洪阳. 管板有限元分析模型与对比J. 化工机械，2007, 34(5): 285-290三、设计（研究）内容和要求（包括设计或研究内容、主要指标与技术参数，并根据课题性质对学生提出具体要求。）了解换热器的结构与工作特性；明确管壳式换热器管板的承载特点和管板强度设计方法，掌握压力载荷和热载荷对管板受力状态的影响。学习有限元计算方法，建立换热器管板的流固耦合分析模型，研究流动状态对换热器管板温度场和热应力场的影响，讨论换热器的结构改变对管板受力情况的影响。四、撰写的论文内容：（1） 摘要（中、英）（2） 前言（3） 文献综述（4） 模型建立（5） 流动状态对管板温度场的影响（6） 流动状态对管板热应力场的影响（7） 结论（8） 参考文献（9） 译文（不少于5000字）（10） 计算原始数据（附录）指导教师（签字）年 月 日审题小组组长（签字）年 月 日天津大学本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称流体流动状态对换热器管板热应力场的影响研究学院名称化工学院专业名称过程装备与控制工程学生姓名王 波指导教师谭 蔚（内容包括：课题的来源及意义，国内外发展状况，本课题的研究目标、研究内容、研究方法、研究手段和进度安排，实验方案的可行性分析和已具备的实验条件以及主要参考文献等。）一、 课题来源管壳式换热器又称列管式换热器,是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。这种换热器结构较简单，操作可靠，可用各种结构材料（主要是金属材料）制造，能在高温、高压下使用，是目前应用最广的换热器类型。管板是管壳式换热器最主要的承压元件之一，与换热管、管箱、简体等连在一起构成复杂的弹性体系。因此，管板对整台换热器的安全性和经济性有着非常重要的影响。在管板的设计方面，GB1511999钢制管壳式换热器给出了管板的计算方法1，对管板作了不同程度的假设和简化，把管板看作是承受均布载荷，放置在弹性基础上并因管孔削弱的当量圆板，然后根据载荷的大小，管束的刚度及周边支承情况来确定管板的弯曲应力、剪切应力。但实际情况是管板除了受到管程压力、壳程压力、密封圈的比压力、螺栓的预紧力以外，还受到温度载荷的作用。JB4732虽然涉及到热应力的计算，但是没有给出管板壁温的计算方法2。美国ASME规范3认为板中只在靠近板表面的一层金属中存在较大的温度梯度,因而只在板表面处存在显著的热应力,而其余部分热应力可以忽略。但是实际管板的温度场要复杂很多。 管壳式换热器在工程实际中被广泛应用，管板在工程中是易发生事故的部件之一。其发生原因有多种，在高温高压下服役的管壳式换热器，有可能是温度引起的热应力。蒸汽发生器是核工程中较易发生事故的设备之一，发生事故的原因是与管板连接的换热管管口处断裂。通常人们把破坏原因归结为应力腐蚀或腐蚀疲劳，从选材等方面去解决问题。但清华大学的吴强胜和薛明德4通过理论分析得到结论，认为失效部位的热应力非常明显，也可能是造成失效的重要原因。只有准确地求出管板的温度场，才能得到精确的管板应力分布情况。近几年来，随着计算机技术的发展，有限元数值分析法在管板研究及设计上的应用成为可能，该方法的最大优点是可以采用实体模型来比较真实地模拟管板复杂的真实结构以及真实载荷与其他边界条件。在目前，这是其他任何分析方法都难以与之相比的。 在换热器管板的设计模型中，传统的方法是施加温度载荷和对流载荷的分析模型。而用流固耦合分析模型代替传统的分析模型更为合理。本课题拟利用流固耦合分析模型，分析研究流体流动状态的改变对换热器管板热应力场的影响。二、国内外研究现状换热器是化工、石油、动力、钢铁、食品、发电及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要的地位。尤其是化工生产中，换热器关系到生产的正常运行和操作费用。国内外关于换热器的设计方法众多，常见的管板设计方法有常规设计方法5、分析设计方法6，而分析设计中常见的是有限元数值分析法7-11。由于管板的形状和载荷工况都很复杂，若采用材料力学或弹性力学的分析方法建立力学模型，必然要进行大量的简化假设，给计算结果带来较大的误差，这也是常规设计缺陷所在。常规设计方法目前应用比较广泛，但是存在各种问题，例如无法计算管板壁温，没有考虑温度载荷的影响等等。有限元数值分析法则是在近年来计算机技术发展的基础上兴起的。有限元分析法采用实体模型比较真实地模拟管板复杂的真实结构以及真实载荷与边界条件结果能更真实反映实际的应力分布状况，特别是在计算中考虑了温度载荷的作用9。但是目前对管板的温度场没有进一步作比较精确的分析，还没有一个精确的设计管板的方法。 三、研究目标1. 了解换热器的分类和特点，熟悉管壳式换热器的结构与设计,掌握载荷对换热器管板强度的影响，学习国内外标准中管板强度设计方法； 2. 利用有限元数值分析方法，建立换热器管板的有限元计算模型，研究不同流场条件对管板温度场及热应力场的影响； 3. 根据不同条件下的管板热应力计算结果,讨论换热器管板的优化设计。 四、研究方法1. 首先利用ANSYS软件建立换热器管板附近的流固整体模型，由ANSYS FLOTRAN软件得到管板的温度分布云图及热应力分布图 2. 改变流场参数（流速、流量和接管与管板距离）比较不同流场参数下管板温度场和热应力场分布情况，讨论流场参数变化对管板热应力分布的影响。五、可行性分析通过查阅大量文献可知，采用有限元数值分析法设计换热器管板的方法已经取得一定的成果，同时流固耦合分析方法也在化学工程领域中得到了相关的运用12。用流固耦合模型分析管板温度场和热应力，可以得到更为准确的管板温度场和热应力分布情况，从而可以为换热器管板的精确设计提供参考，故该课题可行。 六、 进度安排2009.12.182010.01.18 查阅文献资料，熟悉相关软件2010.02.232010.03.06 完成开题报告2010.03.072010.05.15 建立模型并分析计算2010.05.162010.06.05 分析流场的改变对换热器管板热应力场的影响2010.06.062010.06.26 撰写论文，准备答辩七、参考文献1 GB151-1999钢制管壳式换热器S2 JB4732钢制压力容器分析设计标准S3 Gardener K A .Heat Exchanger Tube Sheet Temperatures. The Refiner & Natural Gasoline Manufacturer ,1942(4):72744 吴德胜，薛明德固定管板式换热器管板温度场的分析方法J核动力工程，1998(10):4024075 郑津洋，董其伍，桑之富.过程设备设计，第二版，化学工业出版社，2005年 6 WeiyaJin. Comparison of Two FEA Models for CalculatingS tressesin Shell-and-tube Heat ExchangerJ. Intenrational Jounral of Perssure Vessels and Piping,2002,8:563-567 7 章姚辉.管壳式换热器的二维有限元分析D.北京：北京化工大学，2003 8 Cz Horvay.Be nding of Honeycombs and of Perforated PlatesJ.Applied Mechanics,1952,74:122-123 9 W.J.ODotuiell.Design of Perforated PlatesJ. Engineering for industry, 1962, (84):307-32010 R.BAILEY and R.HICKS.Behavior of Perforated Plates under Plane StressJ.Jounral of Mechanical Engineering Science,1960,2:143-16111 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, SectionIII, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Component, Edition(1983)12 尹晔东,王运东,费维扬.计算流体力学(CFD)在化学工程中的应用J. 石油 化工技术,2000 ,7 (3) :166-169选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能指导教师（签字）年 月 日选题是否合适： 是 否课题能否实现： 能 不能审题小组组长（签字）年 月 日摘要常规的管板设计方法是根据弹性壳体理论，用等效无孔实心板来代替多孔管板，采用比较简单的公式、曲线、图表进行设计计算，但是这些计算无法准确考虑管板温度差引起的热应力。目前常用有限元方法，通过施加温度载荷和对流载荷计算得到管板的温度场，进而求出管板的温差应力，但计算结果的准确性一直是许多研究者关注的问题。本文采用有限元方法，以固定管板管壳式换热器管板为例，按包含温度场在内的流固耦合（流固耦合分析）分析模型计算得到管板的温度场和热应力场，进而分析流场对管板温度场和热应力场计算结果的影响，为管板的热应力场计算方法的选择提供了参考。本文还研究管板的结构尺寸、流场特性等因素对管板热应力的影响。结果表明，随着厚度的增大，管板上温度梯度有所减小，管板的热应力呈减小的趋势，但同时随着管板的增厚，管板变形阻力会增大，管板热应力有增大的趋势，两者的共同作用导致了管板热应力的变化。壳程进口位置的改变，会影响管板上的温度分布，从而影响管板的热应力。改变流场会引起管板附近流体流场的变化，流量（流速）的增加使得管板的温度梯度有所增加，热应力也随之增大。关键词：管板；温度场；热应力；流固耦合；有限元方法ABSTRACTConventional method of tube sheet design is based on elastic shell theory, with the perforated plate replaced by the equivalent imperforated plate, using relatively simple formula, curve and charts for the calculations of design. However, these calculations could not get the thermal stress of tube sheet caused by temperature difference. At present, the temperature of the tube sheet surface, and the bulk temperature and the heat transfer film coefficient are assumed to get the temperature fields using the finite element method. Then the thermal stress fields of the tube sheet are obtained. However, the accuracy of the results is concerned by many researchers.One analytical models are applied to calculate the temperature field of a fixed tube-sheet heat exchanger using the finite element method. In the model, the fluid-solid coupled heat transfer simulation is assumed. Then the thermal stress fields of the tube sheet are obtained in the temperature fields calculated above. The results show the effect of flow characteristics on the thermal stress field, serving as a reference for accurate tube sheet design.In order to study the influence of the structure size and flow characteristics on the thermal stress of tube sheet, the fluid-solid coupled heat transfer simulation are assumed to study the influence of these factors on the temperature fields and the thermal stress fields of the tube sheet. The results show that, with the increasing thickness, temperature gradient in the middle part of the tube sheet reduces, namely temperature changes more quietly, and the stress of the tube sheet decreases. Anotherside the deformation resistance increase as the increasing thickness.With the change of the position of import and export, the temperature distribution and the thermal stress in the tube sheet are affected. The change of the flow field could cause the change of the flow field near the tube sheet, the temperature gradient of the tube sheet is increased with the increase of velocity of flow, and then the thermal stress is also increased.These research results provide basis for the optimization design of the tube sheet in the heat exchanger.KEY WORDS：tube sheet； temperature field；thermal stress；fluid-solid coupled；FEM目录第一章文献综述11.1概述11.2换热器管设计规范介绍11.2.1国外主要规范11.2.2国内主要规范21.3换热器管板理论研究发展31.4换热器数值模拟分析41.4.1换热器管板数值模拟41.4.2换热器流场数值模拟51.5本文的研究目的和内容61.5.1研究目的61.5.2研究内容6第二章换热器管板的三维有限元模型72.1管板的基本参数72.1.1主要结构尺寸72.1.2工艺条件82.1.3物性数据82.2模型简化92.3有限元模型的建立92.3.1实体模型的合理切分92.3.2换热器有限元模型的建立102.4小结12第三章换热器管板的温度场和热应力场模拟结果分析163.1温度场的结果分析163.2热应力场的结果分析203.3小结22第四章结构参数和流场特性对换热器管板热应力的影响234.1结构参数对换热器管板热应力的影响234.1.1管板厚度对换热器管板热应力的影响234.1.2壳程进口位置对换热器管板热应力的影响274.2流场特性对换热器管板热应力的影响304.3小结33第五章结论34参考文献35外文资料中文译文致 谢第一章文献综述1.1概述换热器是用来实现热量的传递，将热量由高温物体传递给低温物体的换能装置。换热器是钢铁、化工、石油、食品、发电、动力以及其他许多部门行业的通用设备。换热器在化工生产中的地位尤为突出，关系到正常的操作和生产的费用，通常在化工厂的建设中，换热器的投资费用会占到总额的10-20%，而在石油炼化厂中，换热器的投资费用更是高达30-40%1。换热器的种类很多，包括套管式换热器、蛇管式换热器、波纹板换热器、板翅式换热器、螺旋板换热器、管壳式换热器、伞板换热器等。管壳式换热器以其结构简单、清洗方便、选材范围广、适应性强、造价低廉的优点，成为应用最广的一种换热器。管壳式换热器大体上分为固定管板式、U形管式和浮头式三类。管壳式换热器结构的共同特点是有一圆形外壳，内部装有由换热管组成的管束。管外表面与壳体内表面间通道部分统称为壳程，换热管内通道部分统称管程。热、冷流体分别流过管程和壳程，通过换热管壁面实现换热。管板是管壳式换热器造价最高和最复杂的零部件之一，用来排布换热管，将管程和壳程的流体分隔开来，避免热、冷流体混合，并同时受到壳程、管程压力和温度的作用。当换热器承受高压和高温时，高压和高温对管板的作用是相互矛盾的。减薄管板厚度，可以降低热应力，但承压能力降低；增大管板厚度，可以提高承压能力，但当管板两侧流体温差很大时，管板内部沿厚度方向的热应力增大。当迅速停车或进气温度突然变化时，热应力往往会导致管板和换热管在连接处发生破坏1。这是因为在开车、停车时，由于厚管板的温度变化慢，换热管的温度变化快，在换热管和管板连接处会产生较大的热应力。1.2换热器管设计规范介绍二十世纪四十年代，Gardner2首先提出在承受相同载荷时，可用相同尺寸和相同特性的当量实心板来代替真实多孔板。之后，逐渐发展的等效管板理论称为各国管板设计规范的基础。1.2.1国外主要规范国外管壳式换热器的基本设计方法出现于二十世纪初，各主要的工业国都非常重视寻求先进合理的管板设计方法，对管板的安全评定也都有一套自己的规范，例如，英国的BS5500、日本的工业标准（JIS）、美国的TEMA标准3、ASME规范4等规范中都列出了管板的计算公式，在各个规范中计算公式的形式各异，但它们大体上都是分别基于以下三种假设：（1）将管板看作是周边支承条件下承受均布载荷的圆平板，用平板理论计算得出计算公式。考虑管孔的削弱作用，再引入经验性的修正系数。（2）将管子看作管板的固定支承而管板是承受管子支承的平板。同时，管板的厚度取决于管板上不布管区的范围。实践证明，这种公式适用于各种薄管板的计算。（3）将管板视为在广义弹性基础上承受均布载荷的多孔圆平板，即把实际的管板简化为受到规则排列的管子加强、同时又被管孔削弱的等效弹性基础上的均质等效圆平板。这种简化假定既考虑到管孔的削弱作用，又考虑了管子的加强作用，分析比较先进、全面，已经被大多数国家的管板规范所采用。 各个规范的特点1如下：日本工业标准（JIS）和美国的TEMA标准均基于上述第一条假设，该标准依据平板理论得出计算公式。考虑到管孔的削弱，再引入经验性修正系数的做法比较粗糙，适用范围比较窄，结果比较保守，局限性大。日本的工业标准是以美国TEMA标准为基础而制定的，故也存在相同的弊端。ASME锅炉与压力容器规范第卷第2篇中给出了管板分析设计的方法，ASME规范中关于管板的规范发展历程虽然不长，但应用却很广泛。国内外很多工程设计及校核都参照过它的设计。德国的AD规范将管子当作管板的固定支撑而管板是管子支撑着的平板。同时，管板的厚度取决于管板的布管区范围。实践证明，该规范适用于各种薄管板的设计。英国的BS1500基于上述第三条假设，既考虑管子的加强作用，又考虑管孔的削弱作用，分析问题比较全面。由于各个规范中计算方法所依据的简化假设不同，所以对于同一个工况的管板来说，用不同的计算方法计算得到的结果差别很大，目前还没有一个统一的计算方法。1.2.2国内主要规范我国的GB151-1999管壳式换热器5和JB4732-95钢制压力容器分析设计标准6-7中管板的计算公式是在严密推导的基础上得到的，在实际中广泛应用。GB151-1999管壳式换热器所列入的管板计算公式基于的简化假定是：把实际的管板简化为承受均布载荷、放置在弹性基础上且受到管孔均匀削弱的当量圆平板。同时在此基础上还考虑了以下几方面对管板应力的影响：（1）考虑管束对管板挠度的作用，但忽略管束对管板转角的约束作用；（2）考虑管板周边不布管区对管板应力的影响，将管板划分为两个区，即靠近周边处较窄的不布管区和靠近中央部分的布管区。通常管板周边部分较窄的不布管区按其面积简化为圆环形实心板。由于不布管区的存在，管板边缘应力下降；（3）管板兼作法兰时，法兰力矩的作用对管板应力的影响；（4）不同结构形式的换热器，管板边缘有不同形式的连接结构，根据具体情况，考虑壳体、法兰、封头、管箱、垫片等元件对管板边缘转角的约束作用。1.3换热器管板理论研究发展1989年，法国的Osweiller8对换热器管板设计中的有效弹性常数的研究工作进展进行了全面的回顾。他认为当量实心圆板概念从1948年被提出共经历了三个阶段的发展。开始的两个阶段得到的理论值和实验值存在着比较大的偏差；以后的第三阶段由于使用计算机，并应用严密、有力的理论方法为，求解出了有效弹性常数的可信的值。下面对这三个阶段做简要的介绍：（1）第一阶段（1948至1559年）这个阶段的计算理论大多与实际的情况相差甚远，主要是由于其理论基础不够坚实。1948年，Gardner2首先提出在承受相同载荷时，用相同特性、相同尺寸的当量实心板来代替真实的多孔板，同时考虑开孔对管板的削弱作用，还定义了一个因数（是开孔后板的抗挠刚度和开孔前板的抗挠刚度D*的比值，被称为“管板削弱因数”或“挠度系数”）。同一年Gardner根据最小管桥宽度对进行了修正。在1952年，Horvay9应用最小应变能方法，提出了另外一种描述开孔对板削弱的方法。他们用当量实心板的有效弹性模量E*和泊松比*来代替当量实心板的抗挠刚度D*，得到了与真实开孔板的挠度相一致的当量实心板的挠度。1955年，Duncan10用实验的手段测量了开孔前后板在弯曲载荷作用下的挠度，并通过式（1-1）得到挠度系数： （1-1）式中：是挠度系数；wp为开孔后板的挠度；wnp为开孔前板的挠度。（2）第二阶段（1960至1962年）该阶段对E/E*和*值的规律进行了实验和理论的深入研究，理论计算值和实验结果较吻合。1960年，Sampson11用光弹法在矩形塑料板中进行了实验，并得出了不同情况下E/E*和*值的变化规律。同年，Leven12在圆形塑料板上通过试验检验了Sampson的结果，测量的挠度与使用Sampson有效弹性常数计算的结果一致。1962年，ODonnell13对这些结果进行了综合，提出一组平面载荷状态下和弯曲载荷状态下的曲线。（3）第三阶段（1963至今）该阶段是以非常有力的理论方法的出现为界限，这些理论方法能够确定三角形开孔排列形式和正方形多孔排列形式下的孔间带系数的函数、E/E*和*值。理论与实验结果吻合一致。对于管板温度场和热应力场分布，Gardner14的研究指出：管板中只在靠近表面的一层金属中存在较大的温度梯度，因此只会在管板的这部分表面存在显著的热应力，其余部分的热应力较小，这种现象称为“表皮效应”。同时，ASME设计规范中管板热应力分布也采用的是“表皮效应”解释。需要指出的是，Gardner的研究并未充分考虑到管板附近流场对传热的影响。而考虑到实际换热器中流体流动对对流传热的影响，管板的温度场和热应力场分布要复杂很多。1.4换热器数值模拟分析1.4.1换热器管板数值模拟由本文1.3节的叙述可以看出，前人对管板的研究已经取得了丰硕的成果，这些成就主要集中在等效管板理论及其应用。因为等效管板理论毕竟是一种近似方法，和真实值之间总有一定偏差。随着20世纪末计算机技术的发展，数值模拟的兴起，对换热器管板的数值模拟也逐步发展。由于管板结构的复杂性，在上世纪八十年代和九十年代初由于计算机水平的限制，基本无法对一个上千根管子的实际换热器进行有限元模拟，为此Singh与Holtz15，Ohol etal16，Kasahara与Iwata17等进行了各种简化模型的计算。1990年，徐定耿等18应用SAP5和SAP6程序，首次突破等效管板理论，分别建立了11.25和45管板扇区的结构进行了分析。并将其结果与等效圆平板理论的轴对称结构进行了比较。分析的结果表明，对密集程度很高的方形排列的孔板可选取适当角度扇区来处理。1997年，太原工业大学的刘俊明等19应用ANSYS软件，对基于等效管板理论的厚管板进行了分析。结论认为管板的最大应力发生在管板与管箱连接的过度圆弧处。同年，针对固定管板式换热器管板应力，陈罕20提出了一种新的有限元分析方法。这种方法采用轴对称一维蜕化板单元与壳单元，连同常用的8节点等参二维单元和弹簧单元使用，能较好地模拟固定管板式换热器管板管束壳体法兰膨胀节系统，并有较高的计算精度和较灵活的结构适应能力。1999年，李永锡等21对某乙烯装置第二急冷锅炉的管板进行了有限元分析。他们仍然采用ANSYS软件，分析了管板的轴对称结构，不同的是他们考虑了温差应力的影响。2004年，胡锡文22等应用ANSYS软件，用实体单元建立了考虑管子、壳体以及垫片压力影响的薄管板计算模型。其中建立的管子的数目为32根，对处在温度和压力载荷共同作用下的换热器管板进行了模拟计算。同时对单独的管板（不考虑管子和壳体及管箱结构）模型进行了热分析，得到了管板上的温差应力的分布。同年，Weiya Jin等23对比了换热器模拟中管单元和杆单元的准确度。研究发现管单元模型能够得到更为准确的应力，但是耗费大量机时；而杆单元模型得到的结果足够精确，较适合于管板的计算。2005年，刘海亮等24应用ANSYS有限元分析软件，对某换热器建立了包括管箱、部分壳体和换热管影响的管板有限元实体模型，通过模拟得到了温度场和热应力场。2009年，Qian等25对比了实体单元和梁单元在换热器分析中的准确性。Qian等人对比发现，实体单元模型和梁壳单元模型均能得到满意的结果。而梁单元在模拟中比实体单元需要更少的计算机资源，所以推荐使用梁壳单元分析。1.4.2换热器流场数值模拟计算流体力学（computational fluid dynamics简称CFD）、实验流体力学、理论流体力学是研究流动的三种主要手段。用实验来作为基本研究方法，可以得到有说服力的数据，但试验结果受实验设备、操作水平等因素影响，且费用相对较高。由于计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）分析软件获得了迅速的发展。相比于实验的方法，CFD的长处是适应性强、应用广、费用低。CFD中可以选择不同流动参数进行各项研究和优化试验，有较大的灵活性，同时CFD能给出比较完整的流场信息。但由于离散化的处理，CFD存在误差甚至错误。从以上的介绍可知，数值模拟和实验两种方法可以互补长短，相互验证26。随着CFD的逐步完善，国内外学者对换热器内流体流动的数值模拟进行了一些研究。所采用的模拟方法主要分为直接数值模拟法和多孔介质模型法。人们在对换热器的局部特征和小型的换热器进行研究时，可以直接进行数值模拟，而对于大型换热器，只能用多孔介质模型进行模拟。两种方法的区别是：直接数值模拟是将流体、固体分别划入不同的控制体，定义不同的物性来表示。这种方法适用于较简单的模型处理。多孔介质模型是将流体、固体划人同一个控制体，通过对守恒方程的修改来表现固体的影响。多孔介质模型模拟适合较为复杂的模型，但由于多孔介质模型将流体、固体划人同一个控制体的简化，多孔介质模拟存在一定误差27。但实际工程中换热器内的换热管数可达数百根甚至上千根，计算模型较大，无法进行直接模拟，目前主要使用多孔介质模型28。本文主要探讨流场参数的改变对管板热应力的影响，所以重点关心的是管板附近的流场区域，故计算模型相对较小，采用直接模拟方法。1.5本文的研究目的和内容1.5.1研究目的管壳式换热器在工程实际中被广泛应用，管板在工程中是易发生事故的部件之一。其发生原因有多种，在高温高压下服役的管壳式换热器，有可能是温度引起的热应力。蒸汽发生器是核工程中较易发生事故的设备之一，发生事故的原因是与管板连接的换热管管口处断裂。通常人们把破坏原因归结为应力腐蚀或腐蚀疲劳，从选材等方面去解决问题。但清华大学的吴德胜和薛明德29通过理论分析得到结论，认为失效部位的热应力非常明显，也可能是造成失效的重要原因。只有准确地求出管板的温度场，才能得到精确的管板应力分布情况。近几年来，随着计算机技术的发展，有限元数值分析法在管板研究及设计上的应用成为可能，该方法的最大优点是可以采用实体模型来比较真实地模拟管板复杂的真实结构以及真实载荷与其他边界条件。目前，这是其他任何分析方法都难以与之相比的。 在换热器管板的设计模型中，传统的方法是施加温度载荷和对流载荷的分析模型。而用流固耦合分析模型代替传统的分析模型更为合理。本课题拟利用流固耦合分析模型，分析研究流体流动状态的改变对换热器管板热应力场的影响。1.5.2研究内容（1）利用ANSYS FLOTRAN软件，建立换热器管板的流固耦合有限元计算模型，研究不同流场条件对管板温度场及热应力场的影响； （2）根据不同条件下的管板热应力计算结果，讨论换热器管板的优化设计。第二章换热器管板的三维有限元模型2.1管板的基本参数2.1.1主要结构尺寸换热器的结构简图如图2-1所示，为单管程单壳程结构。换热管布管图如图2-2所示。几何模型的主要尺寸见表2-1。图2-1换热器结构简图图2-2换热器布管结构简图表2-1几何模型的主要结构尺寸参数符号尺寸/mm管板厚度h30管板外直径Dt219筒体外直径Ds219筒体厚度ts5.5换热管外直径d25换热管厚度t工艺条件换热器的主要工艺参数具体见表2-2。表2-2换热器的主要工艺参数项目管程壳程工作介质导热油导热油设计压力/MPa1010设计温度/300160工作温度/(进口/出口)320/285150/1852.1.3物性数据换热器管板主体和管箱筒体采用14Cr1Mo锻件，壳程筒体采用20MnMo锻件，换热管材质为15CrMo。考虑到14Cr1Mo、20MnMo、15CrMo的热物理和弹性性能接近，分析中将它们视为同种材料。由于换热器用材料温度变化范围较大，因此计算时需要考虑材料性能随温度的变化，具体数据见表2-3。热交换介质均为高压下的导热油，具体数据见表2-4。表2-3换热器用材料的物性数据 温度参数0100200300400密度 kg/m378507850785078507850比热 J/(kgK)431.3475.4520.2558.9600.2热导率 W/(mK)41.140.640.138.736.8线膨胀系数10-61/10.7611.5312.2512.9013.58弹性模量 GPa207203198190180泊松比0.30.3表2-4流体物性数据 温度参数100200300360密度 kg/m3987917847720比热 J/(kgK)1830212224202600热导率 W/(mK)0.030830.027780.024720.02278粘度 10-5Pas280703019.72.2模型简化本文采用流固耦合分析方法，所考虑的模型包含了管板附近的流体和固体部分。在建模过程中，主要有以下几方面的简化：（1）忽略换热管在管箱侧的伸出长度；（2）认为换热管和管板紧密结合，不考虑换热管与管板的接触问题；2.3有限元模型的建立2.3.1实体模型的合理切分在常用流场分析前处理软件，如ICEM CFD和GAMBIT中常用“O形环”处理圆柱形流体网格，如图2-3所示。“O形环”能画出优质的六面体结构化网格，且易于对流体边界层加密处理。在ANSYS中虽然没有这样的“O形环”网格划分功能，但是只要合理的切分体也能画出这样的网格。从图2-3中我们可以看到“O形环”的实质是先用一个正四边形来逼近圆形，达到直线网格和弧线网格的过度。鉴于本课题的具体模型，作者借鉴“O形环”的网格划分思想，采用正六边形来逼近圆形，且在换热管内部和外部分别切分出内部“O形环”和外部“O形环”，实体切分情况如图2-4所示。图2-3“O形环”示意图图2-4单个换热管及其内外流体切分示意图按照图2-4的的体切分不仅有利于生成规则的结构化网格，且便于加密换热管内外壁面流场的网格，如图2-5所示。而且正六边形的“O形环”还有利于形成完整的换热器模型，如图2-6所示。整体几何模型建立如图2-7所示。图2-5单个“O形环”网格划分2.3.2换热器有限元模型的建立为了得到较为准确的管板温度分布情况，需要先得到较为准确的流场分布情况，因此本模型仅在壳程部分对流体进口部分进行四面体网格划分，以保证管板附近流场的准确性。热流体耦合分析采用8节点六面体流体单元FLUID142，热应力分析采用8节点六面体结构分析单元SOLID45。两者可以相互转化，比较适用于本模型。图2-6整体几何模型前视图图2-7整体几何模型斜视图图2-8和图2-9为建立的有限元模型，其中固体部分见图2-10所示，流体部分见图2-11所示，管板的网格划分情况如图2-12所示。比起自由网格，结构网格在壁面处能够更好地表达与壁面的一致。因此本文在建模过程中尽量使用结构网格，且在壁面处多采用加密处理，以满足边界层的网格需求。由于结构的复杂性，在壳程流体的进口位置附近有少量的自由网格，其几何模型如图2-13所示，其网格如图2-14所示，其网格剖分图如图2-15所示。除去壳程进口位置附近的网格外，其余网格均采用结构网格。图2-8整体模型网格划分正视图2.4小结本章通过对换热器的主要结构尺寸、工艺条件以及物性数据进行了简单介绍。有限元模型采用改进后的“O形环”进行网格划分，仅对壳程进口部分进行简化，尽量使用结构网格，以保证管板附近流场的准确性。图2-9整体模型网格划分斜视图图2-10固体模型网格划分斜视图（壳体隐去1/2）图2-11流体模型网格划分斜视图图2-12管板网格划分斜视图图2-13壳程进口处非结构化网格几何体图2-14壳程进口处非结构化网格示意图图2-15壳程进口处非结构化网格示意图（隐去1/2） 第三章换热器管板的温度场和热应力场模拟结果分析3.1温度场的结果分析模拟得到的固体模型温度场分布云图如图3-1所示。其中管板部分的温度场分布云图如图3-2所示，管板对称截面处的温度场分布云图如图3-3所示。图3-1换热器温度场分布云图为了更好地描述管板温度场分布情况，在管板厚度方向上取5条路径，如图3-4所示。路径1-4是分别按其距壳程进口的距离选取的，路径1最近，路径4最远，路径2与路径5距离壳程进口管的距离相差很少。path1path4的温度分布曲线对比如图3-5所示，path2的温度分布曲线见图3-6，path2与path5的温度分布对比见图3-7。从图3-