波紋換熱管的研究

1、小初、宋體加粗本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）小三、宋體、1.5倍行距題 目 波紋換熱管的研究 姓 名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 機(jī)械工程學(xué)院 二一四年五月目 錄摘要IABSTRACTII前 言III第1章 波紋換熱管的概述11.1 波紋換熱管的結(jié)構(gòu)和成型11.1.1 波紋換熱管結(jié)構(gòu)及其波形確定原理11.1.2 波紋換熱管的成型21.1.3 波紋換熱管與管板連接方式21.2 波紋換熱管傳熱機(jī)理31.2.1 對(duì)流傳熱理論基礎(chǔ)31.2.2 波紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理41.3 波紋換熱管優(yōu)點(diǎn)5第2章 波紋換熱管剛度分析72.1 有限元概念與ANSYS軟件簡(jiǎn)介72.1.1 有限元分析理論72.1.2

2、 ANSYS簡(jiǎn)介及其分析典型過(guò)程72.1.3 ANSYS主要功能82.2 有限元分析過(guò)程92.2.1 波紋管三維模型的建立92.2.2 ANSYS前處理102.2.3 施加載荷及計(jì)算122.3 計(jì)算結(jié)果分析及討論122.3.1 米塞斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則122.3.2 波紋管內(nèi)外壁面等效應(yīng)力的比較142.3.3 波紋管波峰和波谷等效應(yīng)力分析152.3.4 不同波谷圓弧半徑的波紋換熱管之間最大等效應(yīng)力的比較19第3章 波紋換熱管的傳熱能力分析203.1 計(jì)算流體力學(xué)理論及其軟件介紹203.1.1 計(jì)算流體力學(xué)理論203.1.2 計(jì)算流體力學(xué)軟件概述213.2 FLOTRAN CFD分析

3、簡(jiǎn)介223.2.1 FLOTRAN CFD分析概述223.2.2 FLOTRAN CFD分析的主要步驟223.3 波紋換熱管傳熱能力分析過(guò)程223.3.1模型簡(jiǎn)化假設(shè)223.3.2 幾何模型的選擇233.3.3 入口邊界條件243.3.4 出口邊界條件243.3.5 壁面邊界條件253.3.6 對(duì)稱邊界條件253.3.7 幾何模型的網(wǎng)格劃分253.3.8 求解設(shè)置263.4 結(jié)果分析及討論273.4.1 44/33波紋管結(jié)果分析273.4.2 12組不同波谷圓弧半徑波紋換熱管對(duì)比分析33結(jié) 論36致謝37附 錄40波紋換熱管的有限元分析摘要換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體，使流體溫度達(dá)到

4、工藝流程規(guī)定指標(biāo)的熱量交換設(shè)備，換熱器是化工生產(chǎn)中常用設(shè)備之一。換熱管是換熱器的核心元件，設(shè)計(jì)和制造各類高性能換熱管一直是重要的研究課題。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于研究和開(kāi)發(fā)高效換熱管，傳熱強(qiáng)化是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本論文研究?jī)?nèi)容主要分為兩部分，以工業(yè)常用的44/33（波峰直徑/波谷直徑）尺寸波紋管為主要研究對(duì)象，使用ANSYS有限元分析軟件分析波紋換熱管應(yīng)力分布和傳熱能力。另外選取11組波谷圓弧半徑不同、其他尺寸相同的波紋管做對(duì)比組，比較波紋換熱管波谷圓弧半徑變化對(duì)管的應(yīng)力分布和傳熱能力的影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，波紋換熱管最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在波谷圓弧處，最佳傳熱區(qū)域主要在波紋收縮段。關(guān)鍵詞：換熱器；波紋換

5、熱管；應(yīng)力分布；傳熱能力；ANSYSFinite Element Analysis of the CorrugatedHeat Exchange TubeABSTRACTIn petrochemical production, the heat exchanger is one of the commonly used equipment. Improving heat transfer efficiency and performance is an important way to save investment, save resources, improve the productio

6、n capacity. Heat exchange tube is the core element of heat exchanger, so the design and manufacture of various types of high performance heat exchange tube has been a very important research subject. In recent years, many scholars at home and abroad dedicated to the high efficiency of heat exchange

7、tube research and development work, including heat transfer reinforcement is the key of the research in this field.This paper research content mainly divided into two parts, the first is the analysis of stress distribution; the second is the analysis of heat transfer ability. we choose the 44 / 33(p

8、eak diameter/trough diameter size) corrugated tube which is commonly used in industry as the main research object, using ANSYS finite element analysis software analysis corrugated heat exchange tube stress distribution and the heat transfer ability. In order to compare the influence of trough arc ra

9、dius size to the corrugated tube，we also choose another 11 groups of corrugated tube as the contrast groups which trough arc radius size are different, the other is the same, comparing corrugated pipe trough the arc radius on the tube axial stiffness and heat transfer ability.Through the analysis we

10、 found that the stress concentration phenomenon appears at wave trough arc of corrugated heat exchange tube, the best heat transfer area mainly in corrugated contraction.KEY WORDS: heat exchanger； corrugated heat exchange tube；stress distribution； heat transfer ability；ANSYS前 言換熱器是工業(yè)生產(chǎn)中一種特別重要的熱交換設(shè)備，

11、用來(lái)使熱量從一種介質(zhì)傳遞到另一種介質(zhì)以提高熱量利用率，換熱器在各種各領(lǐng)域中有很廣泛的應(yīng)用，尤其在化工、能源、交通、機(jī)械、制冷、空調(diào)等領(lǐng)域1。換熱器能夠讓工業(yè)能源二次被使用，實(shí)現(xiàn)回收余熱和降低生產(chǎn)成本。對(duì)國(guó)外換熱器市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，盡管各類板式換熱器的競(jìng)爭(zhēng)力呈上升趨勢(shì)，但是管殼式換熱器的應(yīng)用仍占據(jù)大部分市場(chǎng)。隨著時(shí)代發(fā)展，世界各國(guó)工業(yè)生產(chǎn)對(duì)能源的高效利用要求越來(lái)越高，對(duì)管殼式換熱器的研究已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期，主要包括管程結(jié)構(gòu)和殼程結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱的發(fā)展。時(shí)至今日換熱器傳熱管件和殼程的折流結(jié)構(gòu)都較傳統(tǒng)的管殼式換熱器有了很大的改變，關(guān)于換熱器流體力學(xué)性能、換熱效率、抗振與防垢效果的理論研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面也都

12、有了新的進(jìn)步。波紋管換熱器是管殼式換熱器一種新興類型, 換熱元件用波紋換熱管取代原始的光滑直管，這種換熱器將傳熱效率提高了2到4倍2。波紋換熱管的結(jié)構(gòu)周期性變化，比光滑直管復(fù)雜很多，對(duì)管內(nèi)流體有充分?jǐn)_動(dòng)影響，迫使流體湍流流動(dòng)，増強(qiáng)了換熱管傳熱能力。波紋換熱管的其他優(yōu)勢(shì)是不斷收縮和擴(kuò)張的管型使波紋管具有了補(bǔ)償能力，即在應(yīng)力作用下，波紋換熱管可以在一定范圍內(nèi)自由伸縮，不會(huì)對(duì)換熱器管板等元件造成損害，同時(shí)也正是這種小幅度“伸縮”讓波紋換熱管具有很強(qiáng)防結(jié)垢能力,因此波紋管式換熱器在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。本文以工業(yè)常用的44/33尺寸波紋換熱管為主要研究對(duì)象，借助ANSYS有限元分析軟件計(jì)算波紋管在

13、內(nèi)壓作用下的等效應(yīng)力、分析其在管內(nèi)湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱機(jī)理。為了研究波谷圓弧半徑變化對(duì)波紋管應(yīng)力分布和換熱能力的影響，本次分析另外選取了11組波谷圓弧半徑不同的波紋管作對(duì)比，對(duì)對(duì)比組波紋換熱管施加相同工況載荷，比較不同管型應(yīng)力分布狀態(tài)，以及波紋管出口速度、溫度和管內(nèi)壓力分布、壁面剪應(yīng)力分布情況。 第1章 波紋換熱管的概述1.1 波紋換熱管的結(jié)構(gòu)和成型1.1.1 波紋換熱管結(jié)構(gòu)及其波形確定原理波紋換熱管，一般是由無(wú)縫不銹鋼管經(jīng)二次加工成型得到3，它的縱向截面是不同半徑圓弧相切而形成的連續(xù)波紋，參考圖形如1-1所示。 圖1-1 波紋管幾何參數(shù)說(shuō)明D波紋管波峰直徑；d波谷直徑；t波紋管的壁厚；R波峰圓弧

14、半徑；r波谷圓弧半徑；a波距。波紋換熱管加工波紋的目的是強(qiáng)化管內(nèi)流體流動(dòng)，使流體不斷形成湍流，以增強(qiáng)傳熱效果。根據(jù)波紋換熱管在生產(chǎn)中的應(yīng)用，屬于承壓元件，因此要求波紋換熱管必須具有合格的承壓能力。盡管過(guò)深過(guò)密的波紋有利于強(qiáng)化傳熱，但是這種結(jié)構(gòu)的波紋換熱管也會(huì)增大管內(nèi)流體壓力損失，同時(shí)也容易失穩(wěn)。從強(qiáng)化傳熱和減小壓降兩方面綜合考慮，波紋管波紋既不能過(guò)深過(guò)密又不能過(guò)淺過(guò)疏，同時(shí)還需要考慮力學(xué)、材料和成型工藝等因素，因此設(shè)計(jì)合理的波紋形式是設(shè)計(jì)波紋換熱管的關(guān)鍵技術(shù)所在。1.1.2 波紋換熱管的成型波紋換熱管，由薄壁(壁厚小于1 mm)光滑直管加工而成，直徑小，管子長(zhǎng)、縱向結(jié)構(gòu)上有周期變化的波紋，生產(chǎn)

15、加工較為困難。波紋換熱管從波形上分為螺旋形波紋和環(huán)形波紋。由于螺旋形波紋管接頭過(guò)渡復(fù)雜，因此現(xiàn)在制造廠大多以生產(chǎn)環(huán)形波為主。光滑直管加工成波紋管過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的變形，因此要求材料必須有較好的力學(xué)性能和材料性能。波紋管生產(chǎn)成型后應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，需進(jìn)行去應(yīng)力退火并進(jìn)行水壓試驗(yàn)，檢查合格后方才能制造換熱器。液壓脹型和軟膠脹型是目前波紋換熱管兩種主要成型方式。液壓技術(shù)是波紋管液壓脹型工藝是常用技術(shù)，加工過(guò)程是將光滑直管放在成型模具中，然后向管內(nèi)注入高壓液體，液體的壓力作用使光管發(fā)生形狀改變從而獲得模具規(guī)定的幾何形狀，這中加工方法的缺點(diǎn)是需要對(duì)模具施加大量工裝，工序復(fù)雜，加工過(guò)程慢，同時(shí)工作環(huán)境較差

16、，加工時(shí)不容易密封；軟膠脹型加工方法是利用對(duì)光管內(nèi)圓柱形的軟膠對(duì)光管進(jìn)行軸向壓縮使其產(chǎn)生徑向壓力迫使波紋形成。螺旋形波紋主要采用液壓加工方式，環(huán)形波紋既可用液壓加工也可用軟模成形制造。1.1.3 波紋換熱管與管板連接方式波紋管與管板的連接形式一般為強(qiáng)度焊、強(qiáng)度脹和焊脹并用。強(qiáng)度焊是采用焊接工藝使換熱管和管板連接的方法；強(qiáng)度脹是根據(jù)金屬具有塑性變形這一特點(diǎn)，用脹管器將管子脹牢固定在管板上的連接方法。如果采用強(qiáng)度焊連接方式，由于波紋換熱管管壁很薄，直接與管板焊接會(huì)直接使換熱管管壁熔化導(dǎo)致焊接失敗，因此必須在換熱管兩端設(shè)置焊接段(管壁厚度大于換熱管)，但是焊接接頭存在殘余應(yīng)力，在運(yùn)行中容易引起應(yīng)力腐

17、蝕與疲勞；如果采用強(qiáng)度脹連接方式，由于波紋換熱管是由奧氏體不銹鋼直管在模具中液壓膨脹加工而成，加工過(guò)程中發(fā)生較大的塑性變形，管體強(qiáng)度和硬度增強(qiáng)，塑性和韌性減弱，因此波紋換熱管采用強(qiáng)度脹連接方式有很大難度4，很難保證連接部位的強(qiáng)度?？梢?jiàn)，強(qiáng)度脹和強(qiáng)度焊都有其局限性，焊脹并用的方法在一定程度上解決了上述問(wèn)題。目前焊脹并用方法多采用先焊后脹的順序，既可以在保證連接部位的強(qiáng)度和密封性，又可以改善抗疲勞性能，還消除了應(yīng)力腐蝕和焊縫腐蝕，提高了使用壽命，所以焊脹并用的連接方式得到了廣泛應(yīng)用。1.2 波紋換熱管傳熱機(jī)理1.2.1 對(duì)流傳熱理論基礎(chǔ)物質(zhì)熱交換有三種方式：熱輻射、對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)。對(duì)流傳熱是流體

18、與固體壁直接接觸時(shí)所發(fā)生的熱量傳遞過(guò)程，化工生產(chǎn)中管殼式換熱器管程和殼程之間的熱量交換主要是對(duì)流傳熱，熱量從熱流體傳到間壁外表面，從間壁內(nèi)表面?zhèn)鹘o冷流體5。而換熱管壁面內(nèi)的熱量傳遞主要是熱傳導(dǎo)方式，在管殼式換熱器傳熱過(guò)程中熱輻射不予以考慮。1. 對(duì)流換熱的分類按動(dòng)力分分為：強(qiáng)制對(duì)流；自然對(duì)流；混合對(duì)流。按有無(wú)相變分分為：?jiǎn)蜗嘟橘|(zhì)換熱；相變換熱。按流動(dòng)形式分分為：層流流動(dòng)換熱；湍流流動(dòng)換熱。按幾何形狀分分為：管內(nèi)流動(dòng)；外部流動(dòng)。2. 流體在換熱管內(nèi)湍流狀態(tài)下速度和溫度分布情況簡(jiǎn)介流體從進(jìn)入管口開(kāi)始，由于具有粘性，同時(shí)受壁面阻礙作用，靠近壁面的流體層首先減速，隨著流體向前流動(dòng)，相鄰流體層依次減速，

19、產(chǎn)生速度梯度，速度受到影響的流體區(qū)域越來(lái)越厚，這就形成了速度邊界層6。從管口開(kāi)始，初始的速度邊界層內(nèi)流體速度較小，流動(dòng)類型為層流，故稱為層流邊界層。隨著流動(dòng)的進(jìn)行，層流邊界層的厚度逐漸增加，流體流速在徑向方向也逐漸增大，當(dāng)流速達(dá)到一定值的時(shí)候?qū)恿鬟吔鐚油饩壙拷苤行牡牟课婚_(kāi)始出現(xiàn)湍流(層流邊界層發(fā)展為湍流邊界層)，速度邊界層迅速往管中心擴(kuò)大，同時(shí)層流底層被侵蝕、壓縮。當(dāng)湍流邊界層在管子中心線匯合之后，流體在管內(nèi)的流動(dòng)發(fā)展為完全的湍流(這段長(zhǎng)度叫穩(wěn)定段長(zhǎng)度)。穩(wěn)定段之后管內(nèi)的流體(即湍流邊界層)按流型分為層流底層、過(guò)渡層和湍流主體。速度在壁面軸向的出現(xiàn)流動(dòng)邊界層，同樣，當(dāng)流體在與壁面之間存在溫差

20、時(shí)，在壁面上也會(huì)出現(xiàn)一定厚度的薄層溫度發(fā)生明顯變化，我們稱這層薄層為熱邊界層。熱邊界層與流動(dòng)邊界層類似，內(nèi)部存在很大的溫度梯度，熱量擴(kuò)散主要發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，熱邊界層以外的區(qū)域是等溫流動(dòng)區(qū)，湍流邊界層的熱阻主要集中在層流底層。3. 增強(qiáng)換熱管對(duì)流傳熱的方法主要有：(1) 改變流體流動(dòng)狀況，提高流速。增加流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度，減薄層流底層，從而強(qiáng)化傳熱。(2) 增加人工擾流裝置，在管內(nèi)或管外安放螺旋圈、翅片等以破壞流動(dòng)邊界層而增強(qiáng)傳熱。(3) 改變流體物性。流體物性對(duì)傳熱有很大影響，一般導(dǎo)熱系數(shù)與比熱較大的流體，其對(duì)流傳熱系數(shù)也較大。(4) 改善傳熱面狀況。如增加粗糙程度，對(duì)管表面加工制成多孔表面管

21、或涂層管。(5) 改變傳熱面形狀，采用各種異形管，如波紋管和變截面管等。異形管迫使管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)隨其結(jié)構(gòu)變化而變化，流動(dòng)方向和流動(dòng)速度不斷發(fā)生改變，有助于形成湍流流動(dòng)，減薄邊界層厚度，加強(qiáng)傳熱能力。1.2.2 波紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理傳熱學(xué)的基本公式如(1-1)：(1-1)式中，Q換熱量，W； K總傳熱系數(shù)，W/(m2)； 進(jìn)行換熱的兩流體間平均溫度差，。由此可知傳熱量Q由三個(gè)因素決定: 傳熱系數(shù)K；傳熱面積F；平均溫差。想增大換熱器傳熱能力可以通過(guò)增大上述三個(gè)因素值來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是增大換熱器的傳熱面積和平均溫差都不是最佳途徑, 因?yàn)閭鳠崦娣e與換熱器結(jié)構(gòu)有關(guān), 單純?cè)龃髠鳠崦娣e會(huì)導(dǎo)致設(shè)備體積增大進(jìn)而增

22、加設(shè)備成本；平均溫差與流體工況有關(guān), 增大傳熱溫差會(huì)增加能耗。因而最理想的辦法就是增大傳熱系數(shù)K。傳熱系數(shù)的計(jì)算公式如(1-2)： (12)式中：K總傳熱系數(shù)，W/(m2)；,管內(nèi)、外傳熱系數(shù)，W/(m2)； ,管內(nèi)、外污垢系數(shù)，； 管內(nèi)、外徑，m；管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，； 管壁厚度，m?？梢钥闯觯胍岣邠Q熱管總傳熱系數(shù)，需從兩方面考慮，一是減小傳熱過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻，二是增大管內(nèi)外換熱系數(shù)7。由于換熱管中各項(xiàng)熱阻所占份額不同，故應(yīng)設(shè)法減小傳熱過(guò)程中的主要熱阻。不銹鋼導(dǎo)熱能力良好且管壁很薄因此換熱管壁面熱阻不是主要熱阻。值得注意的是污垢熱阻，污垢熱阻是一個(gè)變化因素，生產(chǎn)中在換熱器使用初期階段，

23、污垢熱阻很小，污垢隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸集中在傳熱面上，成為主要熱阻影響換熱器換熱效率。因此，防止污垢的形成及快速清理傳熱面的污垢是換熱器高效運(yùn)行的保證。波紋換熱管以其周期變化的結(jié)構(gòu)形式可以防垢、清垢，在此方面較光滑直管有突出優(yōu)勢(shì)(詳見(jiàn)1.3節(jié)內(nèi)容)。波紋換熱管變化的流通形狀是增大傳熱系數(shù)的關(guān)鍵，流體在管內(nèi)經(jīng)過(guò)周期性斷面變化時(shí)引起壓力和速度的相應(yīng)變化。在流體流動(dòng)方向上，波峰處流體速度小、靜壓大；波谷處流體速度大，靜壓小，流體在反復(fù)改變的速度和壓力梯度下流動(dòng)，流動(dòng)呈無(wú)序的混亂狀態(tài)，不斷產(chǎn)生湍流渦沖刷層流底層，使其變薄，傳熱阻力很小，增大了換熱管傳熱能力。1.3 波紋換熱管優(yōu)點(diǎn)1. 傳熱系數(shù)高。由于

24、波紋管流動(dòng)通道的橫截面連續(xù)突變，管內(nèi)流體流速和流動(dòng)方向不斷改變，大幅提高流體的湍流強(qiáng)度，破壞底層的層流，使流體邊界層的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，從而提高管內(nèi)外的對(duì)流傳熱系數(shù)，在管內(nèi)流體流速較低的情況下，即可達(dá)到湍流速度。2. 可承受中低壓力，耐腐蝕能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。波紋管由不銹鋼光滑直管冷加工成型，承載壓力能力比光滑直管強(qiáng)，可以滿足化工行業(yè)中中低壓換熱工況需要。3. 可以適應(yīng)較大的溫度差，可以在不對(duì)換熱器管板造成損害的前提自動(dòng)調(diào)節(jié)由溫度差引起的應(yīng)力變形。因?yàn)椴y管是由連續(xù)的波紋結(jié)構(gòu)組成，管壁薄，同時(shí)奧氏體不銹鋼材質(zhì)具有良好的韌性，因此波紋換熱管具有一定范圍軸向伸縮能力，當(dāng)換熱管內(nèi)外流體溫差較大或者內(nèi)外工

25、況壓力差較大時(shí)會(huì)使換熱管產(chǎn)生應(yīng)力集中引起換熱管變形，波紋換熱管因?yàn)榫哂行》秶炜s能力，它可以補(bǔ)償和吸收這種情況下溫差應(yīng)力和壓差應(yīng)力產(chǎn)生的變形，保護(hù)換熱管和管板連接部分，不會(huì)使連接結(jié)構(gòu)斷裂使換熱器損壞8。4. 可以防垢、清垢。波紋管在工作過(guò)程中，一方面換熱管內(nèi)外流體受其結(jié)構(gòu)影響始終處于高度湍流狀態(tài)，流體中的固體雜質(zhì)不容易沉積結(jié)垢；另一方面波紋管受管內(nèi)外溫度差和壓力差影響，波紋管在軸向方向會(huì)產(chǎn)生微小的伸縮變形，管內(nèi)外的曲率會(huì)隨之頻繁變化，由于垢層和波紋管的線膨脹系數(shù)相差很大，所以已經(jīng)沉積結(jié)垢的污垢層與換熱管之間會(huì)產(chǎn)生較大的拉脫力，使污垢層破裂而自動(dòng)脫落。 第2章 波紋換熱管剛度分析2.1 有限元概

26、念與ANSYS軟件簡(jiǎn)介2.1.1 有限元分析理論有限元是一門以結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為媒介，以有限元程序?yàn)橹黧w，對(duì)大型結(jié)構(gòu)工程的數(shù)值計(jì)算方法。有限元法：是一種用于求解微分方程組或積分方程組數(shù)值解的數(shù)值技術(shù)。它的基本思想是將連續(xù)的實(shí)體結(jié)構(gòu)分割成有限個(gè)單元，把連續(xù)實(shí)體理解為只在節(jié)點(diǎn)位置相連的一個(gè)單元集合體，選定節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，在每個(gè)單元中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程的變量改寫(xiě)為由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值與所選的插值函數(shù)組成的線性表達(dá)式，將微分方程離散求解，得到滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)代替對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析。有限元模型：它是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象模型，由一些形狀

27、簡(jiǎn)單的單元組成，單元之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷。 有限元分析是使用有限元方法來(lái)分析靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。這種分析過(guò)程可以簡(jiǎn)單的理解為一個(gè)物體或連續(xù)系統(tǒng)被分解為由多個(gè)相互聯(lián)結(jié)的、由簡(jiǎn)單獨(dú)立的點(diǎn)組成的幾何模型群，當(dāng)劃分足夠細(xì)膩、每個(gè)模型足夠小時(shí)，每個(gè)模型內(nèi)的變形和應(yīng)力總是趨于簡(jiǎn)單，計(jì)算的結(jié)果也就越接近真實(shí)情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法已經(jīng)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種應(yīng)用廣泛、實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。2.1.2 ANSYS簡(jiǎn)介及其分析典型過(guò)程美國(guó)ANSYS公司致力于工程仿真軟件和技術(shù)的研發(fā)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)開(kāi)放的、靈活的、對(duì)設(shè)計(jì)直接進(jìn)行仿真的解決方案。

28、ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計(jì)算軟件，包含了了結(jié)構(gòu)、熱、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)、耦合場(chǎng)等諸多模塊，具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時(shí)也為用戶自己進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)提供了友好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在航空航天、汽車工業(yè)、石油化工、生物醫(yī)學(xué)、建筑工程、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械等許多工業(yè)領(lǐng)域都能有很高的可信度，受到各界好評(píng)。ANSYS有限元分析過(guò)程主要包括三個(gè)步驟9：1. 前處理創(chuàng)建有限元模型(1) 創(chuàng)建或輸入幾何模型。(2) 定義材料屬性。(3) 定義單元類型及實(shí)常數(shù)(根據(jù)單元類型的特性設(shè)置，有些單元類型無(wú)需定義實(shí)常數(shù))。(4) 劃分有限元網(wǎng)格。2. 求解施加載荷并

29、求解(1) 施加約束條件。(2) 施加載荷。(3) 設(shè)置分析選項(xiàng)并求解。3. 后處理查看分析結(jié)果(1) 查看分析結(jié)果。(2) 檢查結(jié)果正確性。ANSYS作為新穎的有限元分析軟件在應(yīng)力分析問(wèn)題方面具有強(qiáng)大的功能而且界面易于使用者掌握，用戶可選擇界面方式(GUI)或命令流方式進(jìn)行使用；快速的網(wǎng)格劃分功能和結(jié)果后處理功能，方便使用。2.1.3 ANSYS主要功能軟件主要包括三個(gè)部分：前處理、分析計(jì)算和后處理。1. 前處理。前處理功能提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。2. 分析計(jì)算。分析計(jì)算功能包括結(jié)構(gòu)分析

30、(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。3. 后處理。后處理功能可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。2.2 有限元分析過(guò)程2.2.1 波紋管三維模型的建立波紋換熱管在縱向方向?qū)儆谳S對(duì)稱模型，因此在本章分析所使用的模型選擇波紋換熱管縱向二分之一實(shí)體，這樣做可以方便建模、減少網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目、加快計(jì)算速度等。本章將以44/33波紋

31、換熱管為例敘述有限元分析過(guò)程并分析計(jì)算結(jié)果。表2-1詳細(xì)列出了12根不同波谷圓弧半徑的換熱管規(guī)格。表2-1 波紋換熱管規(guī)格參數(shù)編號(hào)波峰直徑D（mm）波谷直徑d（mm）波峰圓弧半徑R（mm）波谷圓弧半徑r（mm）波距a（mm）壁厚t（mm）長(zhǎng)度L（mm）管14431.04152.3270.8216管24432.00153.3270.8216管34433.00154.3270.8216管44433.72155.3270.8216管54434.36156.3270.8216管64434.90157.3270.8216管74435.38158.3270.8216管84435.80159.3270.82

32、16管94436.201510.3270.8216管104436.541511.3270.8216管114436.921512.3270.8216續(xù)表2-1 波紋換熱管規(guī)格參數(shù)編號(hào)波峰直徑D（mm）波谷直徑d（mm）波峰圓弧半徑R（mm）波谷圓弧半徑r（mm）波距a（mm）壁厚t（mm）長(zhǎng)度L（mm）管124437.701515270.8216由于波紋管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在ANSYS前處理中建模不方便，本文使用功能更為強(qiáng)大的繪圖軟件Pro/E建立換熱管的三維模型，并保存為IGES格式以備導(dǎo)入ANSYS軟件使用。圖2-1和2-2是44/33波紋換熱管三維模型。 圖2-1 44/33波紋換熱管模型主視圖

33、圖2-2 44/33波紋換熱管模型左視圖2.2.2 ANSYS前處理1. 將Pro/E建立好的波紋管三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件，如圖2-3所示。波紋換熱管材料為奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)，壁厚小于1mm，屬于薄壁容器，因此定義單元類型為shell93，并依次定義其材料屬性：彈性模量，泊松比。圖2-3 波紋換熱管（44/33）模型導(dǎo)入ANSYS2. 對(duì)模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，通常情況下網(wǎng)格劃分越密計(jì)算結(jié)果越精確，但網(wǎng)格劃分過(guò)密會(huì)使ANSYS計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)，而且容易帶來(lái)積累誤差，因此，選擇合理的網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果都有一定影響14。本次分析過(guò)程對(duì)模型設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1.7 mm，如圖2-

34、4所示。網(wǎng)格劃分GUI命令是：Main menu Preprocessor Meshing Size Cntrls ManualSize Areas All Areas。使用MeshTool劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型選擇三角形，考慮到波紋管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此選擇了自由網(wǎng)格劃分。圖2-5是面網(wǎng)格化分完成效果圖。圖2-4 網(wǎng)格劃分尺寸設(shè)置圖2-5 模型面網(wǎng)格化分效果2.2.3 施加載荷及計(jì)算1. 施加模型的位移約束條件?？紤]到換熱管在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)定波紋換熱管右端固支，限制各方向位移；設(shè)定左端簡(jiǎn)支，限制Y和Z方向位移，這樣固定的換熱管左端可以釋放其變形力量，防止對(duì)換熱器本身造成傷害。另外，在波紋管管

35、體上下截面上施加對(duì)稱約束。2. 施加模型的載荷條件。本分析波紋管載荷條件簡(jiǎn)單，只需要在內(nèi)部壁面上施加由里向外的均布內(nèi)壓P=2.5 Mpa。3. 對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算。2.3 計(jì)算結(jié)果分析及討論2.3.1 米塞斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則在多向應(yīng)力作用下，變形體進(jìn)入塑性狀態(tài)并使塑性變形繼續(xù)進(jìn)行，各應(yīng)力分量與材料性能之間必須符合一定關(guān)系時(shí)，這種關(guān)系稱為屈服準(zhǔn)則。屈服準(zhǔn)則是判斷材料從彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)的判斷依據(jù)，也被稱為塑性條件。對(duì)于單向拉伸或壓縮的質(zhì)點(diǎn)，可以直接用屈服應(yīng)力來(lái)判斷。屈服準(zhǔn)則一般如公式(2-1)和(2-2)表示：(2-1)或 (2-2)式中 C 是與材料性質(zhì)有關(guān)而與應(yīng)力狀態(tài)無(wú)關(guān)的常

36、數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)求得。在ANSYS里，主要有von Mises 和 Hilll兩類準(zhǔn)則，Von Mises屈服準(zhǔn)則是一個(gè)比較通用的屈服準(zhǔn)則，尤其適用于金屬材料，在彈塑性有限元分析計(jì)算中，屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)描述是整個(gè)計(jì)算的核心。本論文通過(guò)比較不同波谷圓弧半徑波紋管的米塞斯（VonMises）等效應(yīng)力，分析波紋換熱管剛度變化規(guī)律。米塞斯（VonMises）屈服準(zhǔn)則10是VonMises于1913年提出了一個(gè)屈服準(zhǔn)則。它的內(nèi)容是：當(dāng)?shù)刃?yīng)力達(dá)到定值時(shí)材料質(zhì)點(diǎn)發(fā)生屈服，該定值與應(yīng)力大小和方向無(wú)關(guān)，或者說(shuō)當(dāng)材料處于塑性變形狀態(tài)時(shí)，其等效應(yīng)力值是一個(gè)固定不變的值，該值的大小取決于材料的性質(zhì)，而與應(yīng)力狀態(tài)沒(méi)有關(guān)系

37、，其表述如公式(2-3)所示： (2-3)式中：C由單向拉伸實(shí)驗(yàn)確定為因此Mises屈服準(zhǔn)則還可以寫(xiě)成公式(2-4)和(2-5)的形式：(2-4)或(2-5)表明只有應(yīng)力偏張量第二不變量影響屈服。Mises屈服準(zhǔn)則的物理意義：當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性能達(dá)到某一常數(shù)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)就發(fā)生屈服，因此Mises屈服準(zhǔn)則又稱為能量準(zhǔn)則。2.3.2 波紋管內(nèi)外壁面等效應(yīng)力的比較如圖2-6為波紋換熱管內(nèi)部米塞斯(VonMises)等效應(yīng)力分布云圖。 圖2-6 波紋管內(nèi)部等效應(yīng)力云圖圖2-7 波紋管外部等效應(yīng)力云圖通過(guò)對(duì)比波紋換熱管的內(nèi)外壁面等效應(yīng)力云圖(圖2-6和圖2-7)，我們有以下兩條結(jié)論：1. 波紋換

38、熱管內(nèi)壁面應(yīng)力分布復(fù)雜，等效應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在波谷位置。2. 波紋換熱管相同位置，徑向方向，內(nèi)外等效應(yīng)力值存在差異，即存在應(yīng)力梯度現(xiàn)象。2.3.3 波紋管波峰和波谷等效應(yīng)力分析為了更好的分析波峰和波谷位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象和比較波紋換熱管內(nèi)外壁面等效應(yīng)力的區(qū)別，我們?cè)谡尾y管中選取左起第四個(gè)波峰(左起第一個(gè)半波峰算第一個(gè)波峰)、第四個(gè)波谷和第五個(gè)波峰的管體上截面做分析對(duì)象，并定義這段的名字為“波峰-波谷-波峰”，如圖2-8所示。圖2-8波峰-波谷-波峰段示意圖1. 所選管體截面內(nèi)外壁等效應(yīng)力變化規(guī)律為了清楚的獲取波紋換熱管內(nèi)外壁面上的等效應(yīng)力值，我們使用ANSYS“path operatio

39、ns（路徑操作）”功能中“define nodes（定義節(jié)點(diǎn)）”選項(xiàng)，分別選取波峰-波谷-波峰管體上截面的上下兩條邊上的節(jié)點(diǎn)，即管截面內(nèi)外兩條邊上的節(jié)點(diǎn)，映射相應(yīng)的等效應(yīng)力值，并以“graph（曲線圖）”形式顯示，圖2-9和圖2-10是ANSYS自動(dòng)繪制的波紋換熱管內(nèi)外壁面相應(yīng)的等效應(yīng)力變化曲線。圖2-9 波峰-波谷-波峰內(nèi)壁面等效應(yīng)力變化曲線圖圖2-10 波峰-波谷-波峰外壁面等效應(yīng)力變化曲線圖由波紋換熱管內(nèi)壁面等效應(yīng)力變化曲線可見(jiàn)：波谷中心處等效應(yīng)力值略小于波谷邊緣的應(yīng)力值，并隨著遠(yuǎn)離中心而逐漸增大，波谷段應(yīng)力分布關(guān)于波谷中心對(duì)稱；波峰中心處等效應(yīng)力值也略小于波峰邊緣的應(yīng)力值，隨著遠(yuǎn)離中心

40、而逐漸增大，波峰段應(yīng)力分布關(guān)于波峰中心對(duì)稱。對(duì)于整段管體而言，內(nèi)壁面應(yīng)力最大值是在波谷邊緣，且波谷內(nèi)的應(yīng)力值明顯比波峰大很多，即應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在波谷；應(yīng)力值最小是在波峰與波谷連接過(guò)渡段。由波紋換熱管外壁面等效應(yīng)力變化曲線可見(jiàn)：波谷中心處等效應(yīng)力值小于波谷邊緣的應(yīng)力值，并隨著遠(yuǎn)離中心而逐漸增大，波谷段應(yīng)力分布關(guān)于波谷中心對(duì)稱；波峰中心處等效應(yīng)力值大于波峰邊緣的應(yīng)力值，隨著遠(yuǎn)離中心而逐漸減小，波峰段應(yīng)力分布關(guān)于波峰中心對(duì)稱。對(duì)于整段管體而言，外壁面應(yīng)力最大值是在波谷的邊緣，但是我們可以看到無(wú)論波峰和波谷，應(yīng)力雖然有小范圍變化，事實(shí)上波峰最大應(yīng)力與波谷最大應(yīng)力值接近；在波峰與波谷過(guò)渡段等效應(yīng)力

41、值最小。2. 波紋換熱管波峰和波谷處徑向等效應(yīng)力變化規(guī)律通過(guò)對(duì)比圖2-9和圖2-10我們還發(fā)現(xiàn)，波紋換熱管波谷中心位置徑向方向內(nèi)外壁面應(yīng)存在較大的應(yīng)力差；波峰中心位置徑向存在較小的應(yīng)力差，且在波峰和波谷過(guò)渡段也存在著內(nèi)外壁面應(yīng)力不相等的情況，這就是應(yīng)力梯度現(xiàn)象。為了更清楚的研究波紋換熱管內(nèi)外壁面的應(yīng)力分布狀況，我們分別定義、映射管體波谷和波峰位置由管外向管內(nèi)的應(yīng)力變化曲線，分析波谷和波峰處管體截面應(yīng)力變化規(guī)律，如圖2-11和2-12所示。波紋換熱管內(nèi)外壁面存在應(yīng)力差的主要原因是換熱管局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，在內(nèi)壓作用下局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)的地方產(chǎn)生不連續(xù)效應(yīng)，除薄膜應(yīng)力外，過(guò)渡處局部彎矩引起了不可忽視的彎曲

42、應(yīng)力分量，因彎曲應(yīng)力沿壁厚呈線性分布，因而產(chǎn)生了應(yīng)力差。觀察波谷和波峰處管體截面應(yīng)力變化曲線我們可以得到如下結(jié)論：（1） 波谷處等效應(yīng)力呈現(xiàn)由外向內(nèi)先減小后增大的趨勢(shì)，內(nèi)外壁面應(yīng)力差為23.659 Mpa。由于波谷半徑較小，結(jié)構(gòu)不連續(xù)程度高，因此在波谷處內(nèi)外壁面應(yīng)力差很大。值得我們注意的是壁面徑向距離外表面0.15 mm處等效應(yīng)力值為21.797 Mpa，是徑向應(yīng)力最小值。（2） 波峰處等值應(yīng)力變化呈由外向內(nèi)不斷減小趨勢(shì)，在波紋換熱管外壁面等效應(yīng)力值最大，在內(nèi)壁面達(dá)到最小值。波紋管波峰處內(nèi)外壁面應(yīng)力差為2.284 Mpa，相比于波谷，這個(gè)內(nèi)外壁面應(yīng)力差(23.659 Mpa)是很小的。由于波峰

43、直徑尺寸較大，局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)程度也低，因此，波峰內(nèi)外壁面等效應(yīng)力差較小。圖2-11 波谷圓弧由外向內(nèi)應(yīng)力變化曲線圖2-12 波峰圓弧由外向內(nèi)應(yīng)力變化曲線2.3.4 不同波谷圓弧半徑的波紋換熱管之間最大等效應(yīng)力的比較本小節(jié)將12組波谷圓弧半徑不同的波紋換熱管等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總并繪制了最大等效應(yīng)力隨波谷圓弧半徑增大的對(duì)比曲線，如圖2-13所示。圖2-13 12組波紋換熱管最大等效應(yīng)力值對(duì)比曲線通過(guò)觀察曲線我們發(fā)現(xiàn)：隨著小圓弧半徑的增大，波紋管最大等效應(yīng)力值總體呈逐漸下降趨勢(shì)。這是由于隨著小圓弧半徑的增大，波紋管波谷半徑逐漸變大，結(jié)構(gòu)不連續(xù)程度逐漸降低，使波谷處局部應(yīng)力逐漸減小。在設(shè)計(jì)波紋換熱管時(shí)

44、，為保證換熱管使用壽命及其安全性能，設(shè)計(jì)者應(yīng)在合理范圍內(nèi)盡量降低波紋換熱管在工況下的最大等效應(yīng)力，即在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)避免波紋管波谷過(guò)密過(guò)深。第3章 波紋換熱管的傳熱能力分析3.1 計(jì)算流體力學(xué)理論及其軟件介紹3.1.1 計(jì)算流體力學(xué)理論計(jì)算流體力學(xué)是采用數(shù)值計(jì)算方法通過(guò)計(jì)算機(jī)求解流體力學(xué)控制方程，研究流體運(yùn)動(dòng)特性，分析流體運(yùn)動(dòng)空間定?；蚍嵌ǔＡ鲃?dòng)規(guī)律的學(xué)科11。流體力學(xué)主要研究流體平衡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，目前解決流體力學(xué)問(wèn)題的方法有實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬三種方法。理論研究過(guò)程是用物理定律推導(dǎo)流體力學(xué)數(shù)學(xué)方程，理論研究方法可以揭示出流體內(nèi)在規(guī)律，具有普遍適用性，但該方法分析范圍有限，只局限于簡(jiǎn)單的理論模型

45、；實(shí)驗(yàn)研究方法是在相似準(zhǔn)則下建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用流體測(cè)量技術(shù)測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)方法能反映真實(shí)的流動(dòng)規(guī)律，但相似準(zhǔn)則不能滿足所有工況，結(jié)果帶有局限性。從上個(gè)世紀(jì)六十年代末期開(kāi)始，流體流動(dòng)分析問(wèn)題的數(shù)值模擬快速發(fā)展，已經(jīng)成為解決實(shí)際問(wèn)題的一種重要工具。數(shù)值模擬也被稱為計(jì)算機(jī)模擬，借助電子計(jì)算機(jī)對(duì)工程分析問(wèn)題求解物理過(guò)程，即運(yùn)用計(jì)算機(jī)將工程分析問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定邊界條件下求解控制方程的數(shù)學(xué)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，數(shù)值模擬是一種離散近似的計(jì)算方法，它可以獲得的結(jié)果不像分析結(jié)果那樣連續(xù)，只是某些具有代表性的點(diǎn)上的近似值。用電子計(jì)算機(jī)對(duì)對(duì)流傳熱問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值計(jì)算就象在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行

46、實(shí)驗(yàn)測(cè)定，再現(xiàn)換熱管內(nèi)流體流動(dòng)情景，使研究人員看到流場(chǎng)的各種細(xì)節(jié)，可稱之為“數(shù)值實(shí)驗(yàn)”。隨著高速大容量電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，特別是微型計(jì)算機(jī)的普及和推廣，這種數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法越來(lái)越被更多的科技人員掌握和應(yīng)用，成為解決熱物理過(guò)程的一種重要方法12。數(shù)值模擬方法有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1. 花費(fèi)少。預(yù)測(cè)同樣的物理現(xiàn)象，數(shù)值模擬過(guò)程僅僅需要計(jì)算機(jī)運(yùn)行支持，而實(shí)測(cè)研究卻需要各類場(chǎng)地、物資支持，因此數(shù)值模擬費(fèi)用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)研究費(fèi)用，而且，隨著計(jì)算機(jī)功能不斷發(fā)展，數(shù)值模擬的成本還會(huì)繼續(xù)降低，而實(shí)測(cè)研究成本則會(huì)不斷上升。2. 設(shè)計(jì)計(jì)算速度快、周期短。使用計(jì)算機(jī)模擬每個(gè)工況的時(shí)間很短，這是實(shí)驗(yàn)測(cè)試無(wú)法相比的。數(shù)值模擬可以

47、在短期內(nèi)完成多個(gè)工況的模擬計(jì)算，使研究人員快速了解流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程，通過(guò)對(duì)比選定最佳設(shè)計(jì)計(jì)算方案。3. 資料完整。數(shù)值模擬可以使研究人員全面了解流體內(nèi)部變化過(guò)程，但是測(cè)試方法受設(shè)備限制，無(wú)法清晰體現(xiàn)各部分內(nèi)容，因此數(shù)值模擬優(yōu)勢(shì)較大。4. 仿真模擬流動(dòng)能力強(qiáng)，數(shù)值模擬具有放大性，理論上可以對(duì)任何復(fù)雜流場(chǎng)流動(dòng)和物理狀態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算。5. 具有模擬理想條件的能力。數(shù)值模擬可以模擬現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想化流動(dòng)，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法最多只能近似接近理想化流動(dòng)狀態(tài)。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析和數(shù)值模擬是研究流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的三種基本方法，它們之間相互促進(jìn)、共同發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)入新的階段，研究領(lǐng)域也隨

48、著計(jì)算機(jī)的速度和內(nèi)存的增加而不斷擴(kuò)大，所研究問(wèn)題更加深入和寬廣，它不僅可以用于研究已知的物理問(wèn)題，還可用于發(fā)現(xiàn)和分析新的物理現(xiàn)象。計(jì)算流體力學(xué)的出現(xiàn)改變了原有流體力學(xué)只能依靠實(shí)驗(yàn)分析研究的狀況，降低分析成本的同時(shí)加快了流體力學(xué)研究速度，使原來(lái)很多難以解決的問(wèn)題得到了發(fā)展。3.1.2 計(jì)算流體力學(xué)軟件概述目前常用的CFD軟件分為兩類。第一類是專用CFD軟件，如FLEUNT、CFX等，這類軟件功能豐富，有很廣的適應(yīng)性，可調(diào)節(jié)的細(xì)節(jié)很多；第二類是有限元分析軟件自帶CFD分析模塊，如ANSYS，ANSYS中的FLOTRAN模塊可以提供完整的CFD分析功能13。本論文所做數(shù)字模擬分析使用的是ANSYS軟

49、件自帶的FLOTRAN模塊。3.2 FLOTRAN CFD分析簡(jiǎn)介3.2.1 FLOTRAN CFD分析概述ANSYS程序中的FLOTRAN CFD單元用于分析二維和三維流體流動(dòng)場(chǎng)，F(xiàn)LOTRAN CFD為分析提供兩種單元類型：FLUID 141和FLUID 142 單元用于解算單相粘性流體的二維和三維流動(dòng)、壓力和溫度分布14。FLOTRAN可執(zhí)行層流或湍流、傳熱或絕熱、可壓縮或不可壓縮、牛頓流或非牛頓流及多組分分析，且這些分析類型并不相互排斥。3.2.2 FLOTRAN CFD分析的主要步驟一個(gè)典型的FLOTRAN分析有如下七個(gè)主要步驟： 1. 確定問(wèn)題的區(qū)域。 2. 確定流體的狀態(tài)。 3.

50、 生成有限元網(wǎng)格。 4. 施加邊界條件。 5. 設(shè)置FLOTRAN分析參數(shù)。 6. 求解。7. 檢查結(jié)果。3.3 波紋換熱管傳熱能力分析過(guò)程3.3.1模型簡(jiǎn)化假設(shè)因?yàn)椴y換熱管內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜，在數(shù)值模擬時(shí)，為了使分析過(guò)程簡(jiǎn)單順利并獲得穩(wěn)定的收斂解，通常在分析之前對(duì)模型作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化假設(shè)?？紤]波紋換熱管內(nèi)流場(chǎng)分布及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，作如下幾點(diǎn)簡(jiǎn)化和假設(shè)：1. 管內(nèi)流場(chǎng)流體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；2. 換熱管管內(nèi)流體為不可壓縮流體，本論文設(shè)定管內(nèi)流體為水；3. 換熱管內(nèi)的流動(dòng)方向只對(duì)以軸向和徑向給予考慮，周向流動(dòng)忽略不計(jì)，并假設(shè)管內(nèi)流動(dòng)為二維軸對(duì)稱流動(dòng)，這樣有助于建模和計(jì)算15；4. 各換熱管管壁為剛性

51、，不考慮流固耦合作用；5. 不考慮管內(nèi)流體重力作用；6. 考慮換熱管傳熱作用。3.3.2 幾何模型的選擇本章研究重點(diǎn)是波紋換熱管內(nèi)流體流動(dòng)形式，選擇的模型是12根波谷圓弧半徑不同的波紋換熱管管內(nèi)流體縱向截面的二分之一，選取這樣的模型是由于波紋換熱管縱向截面關(guān)于縱向中心線對(duì)稱，可以簡(jiǎn)化模型和方便計(jì)算，換熱管的壁厚在建模時(shí)被忽略，模型相關(guān)尺寸見(jiàn)表3-1。表3-1 模型尺寸參數(shù)編號(hào)波峰直徑D（mm）波谷直徑d（mm）波峰圓弧半徑R（mm）波谷圓弧半徑r（mm）波距a（mm）長(zhǎng)度L（mm）管14431.04152.327397管24432.00153.327397管34433.00154.327397

52、管44433.72155.327397管54434.36156.327397管64434.90157.327397管74435.38158.327397管84435.80159.327397管94436.201510.327397管104436.541511.327397管114436.921512.327397管124437.70151527397在管長(zhǎng)方向上為使流動(dòng)能充分發(fā)展，模型選取11個(gè)波距的長(zhǎng)度，為避免數(shù)值模擬時(shí)進(jìn)出口段對(duì)管內(nèi)流動(dòng)和傳熱效果的影響，在建立波紋管幾何模型時(shí)，在管的進(jìn)出口端各增加一個(gè)直管段16，長(zhǎng)度分別為50 mm，模型見(jiàn)圖3-1，所有模型使用Auto CAD軟件建立。本

53、章所示分析過(guò)程圖片如無(wú)特別注釋全部默認(rèn)選自44/33波紋換熱管模型。圖3-1 波紋管二維模型3.3.3 入口邊界條件對(duì)于換熱管內(nèi)流動(dòng)情況，常用入口邊界有：速度入口邊界、壓力入口邊界、溫度入口邊界和質(zhì)量入口邊界16。但是質(zhì)量入口邊界應(yīng)用于可壓縮流體，本論文不予以考慮。1. 入口速度邊界在波紋管入口處施加軸向(X方向)速度分量，假設(shè)其沿徑向(Y方向)均勻分布，而徑向速度分量為零。本論文所做數(shù)值模擬分析過(guò)程設(shè)定波紋管入口流速為0.3 m/s，經(jīng)雷諾數(shù)定義式計(jì)算，12組波紋管管內(nèi)全是湍流狀態(tài)。2. 入口溫度邊界設(shè)定換熱管入口處流體溫度為293 K，且沿徑向均勻分布。3. 入口湍流耗散率和動(dòng)能波紋管入口

54、處的湍流耗散率和動(dòng)能很難給出確定的值，本論文中采用FLOTRAN CFD程序默認(rèn)值17。3.3.4 出口邊界條件流動(dòng)出口邊界條件指幾何出口上的流動(dòng)參數(shù)，一般指的是壓力、速度等，流動(dòng)出口邊界條件與流動(dòng)入口邊界條件相互對(duì)應(yīng)。流動(dòng)出口邊界條件一般施加在離幾何擾動(dòng)足夠遠(yuǎn)的地方，選在在這樣的位置是為了讓流體流動(dòng)充分發(fā)展，沿流動(dòng)方向沒(méi)有變化18。同時(shí)要求所采取的出口邊界條件能讓上游的信息傳遞出計(jì)算區(qū)域而盡可能少地反射回來(lái)，以盡量減少任意切斷計(jì)算區(qū)域所帶來(lái)的誤差。當(dāng)入口流速確定為定值之后，常用的出口邊界條件是在出口邊界施加相對(duì)壓力值。由于本論文中將出口壓力設(shè)為大氣壓，因此設(shè)定的換熱管出口邊界條件是是出口相對(duì)

55、壓力為零。3.3.5 壁面邊界條件壁面邊界條件是用來(lái)限制流體和固體的區(qū)域。假設(shè)波紋換熱管壁面是靜止剛性壁面，因此設(shè)定的換熱管壁面上各個(gè)方向速度分量為零。考慮到波紋換熱管在生產(chǎn)中的應(yīng)用，設(shè)定波紋換熱管壁面熱通量為 W/m2。3.3.6 對(duì)稱邊界條件本章所使用的模型在幾何上存在對(duì)稱性，應(yīng)用對(duì)稱邊界條件，可避免求解整個(gè)計(jì)算域，從而使求解規(guī)模減小。故此處設(shè)定的對(duì)稱邊界是：在對(duì)稱軸(X軸)上，垂直于對(duì)稱軸方向(即Y方向)的速度分量為零；其他自由度不指定，則程序默認(rèn)為垂直于對(duì)稱軸的梯度均為零。3.3.7 幾何模型的網(wǎng)格劃分將控制方程在所規(guī)定區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)或整個(gè)區(qū)域進(jìn)行離散是計(jì)算流體力學(xué)的本質(zhì)，對(duì)數(shù)值模擬過(guò)程，劃分一個(gè)合適的網(wǎng)格特別重要，因?yàn)榫W(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)直接影響到后續(xù)計(jì)算過(guò)程收斂的難易程度和計(jì)算結(jié)果的合理性與正確性21。網(wǎng)格可分為兩大類：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)