【正文】 沈陽化工大學 學士學位論文 論文題目： 張小岑 熱能 0901 09110112 2 內(nèi)容摘要 3 第一章 文獻綜述 課題背景 螺旋管因其具有傳熱效率高、加工制作方便等優(yōu)點，在高效蒸汽發(fā)生器和冷卻器、核反應(yīng)堆、電站鍋爐、船舶動力、石油化工、航天航空、微電子器件冷卻、先進燃料電池系統(tǒng)冷卻、食品制藥、以及制冷與低溫技術(shù)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用 螺旋流道作為一種強化換熱通道，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛應(yīng)用于動力、石油和化工等換熱設(shè)備中 [fl].流體在螺 旋管內(nèi)流動時，由于離心力的作用，會在垂直于主流方向的橫截面上產(chǎn)生二次流，二次流相對于軸向主流速度在數(shù)量級上雖然較小，但其與軸向主流復合成螺旋式的前進運動，破壞了邊界層，強化了換熱，因此研究螺旋流道內(nèi)流場結(jié)構(gòu)及換熱特性對工程實際應(yīng)用具有重要的意義。 螺旋管的研究現(xiàn)狀 到目前為止，國內(nèi)外已對管內(nèi)兩相流動與傳熱進行了長期的研究探索，但大 部分研究是以水一空氣或水一水蒸汽為工質(zhì)對直管進行的，許多關(guān)于直管內(nèi)的兩相流流型、空隙率、流動阻力和傳熱特性的數(shù)據(jù)和計算關(guān)聯(lián)式己被業(yè)內(nèi)人士廣泛認可和應(yīng)用。我國西安交通 大學在這方面進行了長期系統(tǒng)的研究，取得了顯著的成果。而對 矩形 螺旋管內(nèi)的兩相流動與傳熱的研究則非常少，現(xiàn)有的一些文獻主要是關(guān)于 矩形 螺旋管內(nèi)的凝結(jié)傳熱特性的研究，少數(shù)的關(guān)于 矩形 螺旋管內(nèi)流動沸騰特性的研究，而關(guān)于 矩形臥式螺旋管內(nèi)兩相流極為少見。 1974 年，美國加利福尼亞大學的 Rowland 教授和他的博士后 Molina[13]在“自然”雜志上發(fā)表文章，指出正在廣泛使用的 CFC 類制冷工質(zhì)會消耗地球周圍的臭氧層，對地球生物和人類帶來危害。之后，對 螺旋管 和其它環(huán)保制冷工質(zhì)的兩相流動與傳熱特性的研究，以及以 螺旋管 為實驗 工質(zhì)進行的模化研究得到了國內(nèi)外廣泛的重視，也已取得了不少的成果，大多數(shù)也是針對直管進行的。從上世紀初以來，很多學者對螺旋管內(nèi)的單相流動與傳熱進行了實驗研究，也有一些關(guān)于螺旋管和其它曲線管內(nèi)單相流動與傳熱的數(shù)值模擬研究的文獻報道。但對于螺旋管內(nèi)的兩相流動與傳熱特性的研究相對較少，并且其中多數(shù)是針對空氣一水或水一水蒸汽進行的。 圓形螺旋風管系采用寬為 1 Ocm 的被鋅俐帶繞制成，有單層與兩層風管中夾 4 保溫材料構(gòu)成的雙層保溫風管兩種型式 .圓形螺旋風管的摩擦阻力的大小決定于咬口接縫制作模具 .實驗曲線表明 :由于各種口徑風 管的制作模具不同，所以摩擦阻力曲線排列無理論規(guī)律，必須對其各別測定 .另外又 rIE 明， Ii 115 螺淀風管覃漆阻燈雖咯大千普通鍍鋅 ill 板摩阻，但很接近 .目前此風管月多于船用空調(diào)系統(tǒng)。 眾所周知，在通風空調(diào)工程中應(yīng)用的通風管道內(nèi)，其空氣流動狀態(tài)，絕大多數(shù)是在過渡區(qū)域內(nèi)，風速為 5 40m/s 范圍內(nèi) .因此當雷諾數(shù) Re 與風管直徑 D為定值時，入值主要取決于風管表面的粗糙度 K值 .由于圓形螺旋風管是采用寬為l0cm 的鍍鋅鋼帶制成，整個風管具有螺距為 l0cm 的咬口接縫，所以粗糙度 K值不能簡單采用材料表面的絕對粗糙度△，應(yīng) 考慮咬口接縫的影響因素，而應(yīng)采用當量水力粗糙度表示。因此咬口接縫加工的質(zhì)量，直接影響到當量水力粗糙度數(shù)值的大小，亦即影晌螺旋風管的摩擦阻力系數(shù) .由于各生產(chǎn)廠家的加工水平與選用材料不同，所以要對各廠生產(chǎn)的螺旋風管進行摩擦阻力的實驗研究，取得其摩擦阻力系數(shù)，制作計算圖表，以供用戶使用。 由于流場特性主要取決于流道結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，因此，由于截面形狀不同，三角形流道內(nèi)流體的流動特性肯定有別于其他截面形狀的螺旋流道 .同時在實際的工程應(yīng)用中，也存在三角形螺旋流道的典型應(yīng)用，如角鋼夾套，它是將角鋼螺旋纏繞焊接在筒體狀容器 的外側(cè)，角鋼與筒體外壁構(gòu)成一個三角形截面螺旋流道，流道內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。 與半圓形螺旋流道流體流動的阻力相比，當 Re 數(shù)相同且半圓形螺旋流道螺距、曲率半徑及當量直徑按模型 1 取值時，三角形螺旋流道的阻力較小，流體流動性能好，且隨 Re 增大，三角形螺旋流道的優(yōu)勢愈加明顯 .在所研究的 Re范圍內(nèi) ，三角形螺 旋流道的 阻力系數(shù)廠 為半圓管螺 旋流道阻 力系數(shù)的%%. 螺旋管由于其結(jié)構(gòu)緊湊和高換熱性能等特點，在發(fā)電機組、核電設(shè)備、制冷和食品加工等工業(yè)場所被作為熱交換器的基本結(jié) 構(gòu)而廣泛使用。與直管相比，螺旋管具有較高的對流換熱效率。人們對圓形橫截面螺旋管已經(jīng)進行了一系列的理論、數(shù)值及實驗研究。采用數(shù)值分析方法，研究了扭矩對矩形截面螺旋管內(nèi)充分發(fā)展態(tài)層流流動的影響。結(jié)果表明，螺旋管的曲率及扭矩是影響層流換熱 5 性能的主要參數(shù)。在航空航天領(lǐng)域，如航空發(fā)動機、火箭發(fā)力機以及沖壓發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中，矩形橫截面內(nèi)螺旋管冷卻結(jié)構(gòu)由于加工技術(shù)相對簡單，已被廣泛使用。目前，對于矩形橫截面螺旋管的研究仗部分局限于層流流動，對 于湍流的研究非常有限 。 本課題的研究方向 學會使用 Cambit 和 Fluent 軟件，使用 6 第二章 Gambit 和 Fluent 軟件的介紹 由于我需要學習 FLUENT來做畢業(yè)設(shè)計， 王 老師給了我一本書， 王瑞金 的《 FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例 》，當然，學這本書之前必須要有兩個條件：第一，具有流體力學的基礎(chǔ)，第二，有 FLUENT安裝軟件可以應(yīng)用。然后就照著書上二維的計算例子，一個例子，一個步驟地去學習，然后學習三維，再針對具體你所遇到的項目進行針對性的計算。不能急于求成，從前理器 GAMBIT，到通過 FLUENT進行仿真，再到后處理，如 TECPLOT，進行循序漸進的學習，堅持，效果是非常顯著的。如果身邊有懂得 FLUENT的老師，那么遇到問題向老師請教是最有效的方法，碰到不懂的問題也可以上網(wǎng)或者查找相關(guān)書籍來得到答案。 GAMBIT軟件是面向 CFD的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力 ,既可以在 GAMBIT內(nèi)直接建立點、線、面、體幾何，也可以從主流的 CAD/CAE系統(tǒng)如 PRO/E、 UGII、 IDEAS、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN導入幾何和網(wǎng)格，GAMBIT強大的布爾運算能力為建立 復雜的幾何模型提供的極大的方便。 GAMBIT具有靈活方便的幾何修正功能，當從接口中導入幾何時會自動的合并重合的點、線、面； GAMBIT在保證原始幾何精度的基礎(chǔ)上通過虛擬幾何自動的縫合小縫隙，這樣既可以保證幾何精度，又可以滿足網(wǎng)格劃分的需要。 GAMBIT功能強大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等 CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。 GAMBIT中專有的網(wǎng)格劃分算法可以保證在較為復雜的幾何區(qū)域可以直接劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。 GAMBIT中的 TGRID方法可以在極其復雜的幾何區(qū)域中可以劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù) 的完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格， GAMBIT網(wǎng)格劃分方法的選擇完全是智能化的，當你選擇一個幾何區(qū)域后 GAMBIT會自動選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法，是網(wǎng)格劃分過程變的極為容易。 GAMBIT可以生成 FLUENT 、 FIDAP、 POLYFLOW、 NEKTON、 ANSYS等求解器所需要的網(wǎng)格。 ☆ ACIS 內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維 幾何建模 能力 ，通過多種方式直接建立點、線、面、體，而且具有強大的布爾運算能力， ACIS 內(nèi)核已提高為 ACIS R12。該功能大大領(lǐng)先于其它 CAE 軟件 的前處理器； ☆ 可對自動生成的 Journal 文件進行編輯，以自動控制修改或生成新幾何與 網(wǎng)格 ； ☆ 可以導入 PRO/E、 UG、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN 等大多數(shù) CAD/CAE軟件 所建立的幾何和 網(wǎng)格 。導入過程新增自動公差修補幾何功能，以保證 GAMBIT 7 與 CAD 軟件接口 的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工程師的工作量； ☆ 新增 PRO/E、 CATIA 等直接接口， 使得導入過程更加直接和方便；