【正文】 ts provide basis for the optimization design of the tube sheet in the heat exchanger.KEY WORDS：tube sheet； temperature field；thermal stress；fluidsolid coupled；FEM目　　錄第一章　　文獻綜述 1　概述 1　換熱器管設計規(guī)范介紹 1　國外主要規(guī)范 1　國內(nèi)主要規(guī)范 2　換熱器管板理論研究發(fā)展 3　換熱器數(shù)值模擬分析 4　換熱器管板數(shù)值模擬 4　換熱器流場數(shù)值模擬 5　本文的研究目的和內(nèi)容 6　研究目的 6　研究內(nèi)容 6第二章　　換熱器管板的三維有限元模型 7　管板的基本參數(shù) 7　主要結(jié)構(gòu)尺寸 7　工藝條件 8　物性數(shù)據(jù) 8　模型簡化 9　有限元模型的建立 9　實體模型的合理切分 9　換熱器有限元模型的建立 10　小結(jié) 12第三章　　換熱器管板的溫度場和熱應力場模擬結(jié)果分析 16　　溫度場的結(jié)果分析 16　熱應力場的結(jié)果分析 20　小結(jié) 22第四章　　結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場特性對換熱器管板熱應力的影響 23　結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱器管板熱應力的影響 23　管板厚度對換熱器管板熱應力的影響 23　殼程進口位置對換熱器管板熱應力的影響 27　流場特性對換熱器管板熱應力的影響 30　小結(jié) 33第五章　　結(jié)論 34參考文獻 35外文資料中文譯文致 謝第一章　　文獻綜述　概述換熱器是用來實現(xiàn)熱量的傳遞，將熱量由高溫物體傳遞給低溫物體的換能裝置。換熱器在化工生產(chǎn)中的地位尤為突出，關系到正常的操作和生產(chǎn)的費用，通常在化工廠的建設中，換熱器的投資費用會占到總額的1020%，而在石油煉化廠中，換熱器的投資費用更是高達3040%[1]。管殼式換熱器以其結(jié)構(gòu)簡單、清洗方便、選材范圍廣、適應性強、造價低廉的優(yōu)點，成為應用最廣的一種換熱器。管殼式換熱器結(jié)構(gòu)的共同特點是有一圓形外殼，內(nèi)部裝有由換熱管組成的管束。熱、冷流體分別流過管程和殼程，通過換熱管壁面實現(xiàn)換熱。當換熱器承受高壓和高溫時，高壓和高溫對管板的作用是相互矛盾的。當迅速停車或進氣溫度突然變化時，熱應力往往會導致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞[1]。　換熱器管設計規(guī)范介紹二十世紀四十年代，Gardner[2]首先提出在承受相同載荷時，可用相同尺寸和相同特性的當量實心板來代替真實多孔板。　國外主要規(guī)范國外管殼式換熱器的基本設計方法出現(xiàn)于二十世紀初，各主要的工業(yè)國都非常重視尋求先進合理的管板設計方法，對管板的安全評定也都有一套自己的規(guī)范，例如，英國的BS5500、日本的工業(yè)標準（JIS）、美國的TEMA標準[3]、ASME規(guī)范[4]等規(guī)范中都列出了管板的計算公式，在各個規(guī)范中計算公式的形式各異，但它們大體上都是分別基于以下三種假設：（1）將管板看作是周邊支承條件下承受均布載荷的圓平板，用平板理論計算得出計算公式。（2）將管子看作管板的固定支承而管板是承受管子支承的平板。實踐證明，這種公式適用于各種薄管板的計算。這種簡化假定既考慮到管孔的削弱作用，又考慮了管子的加強作用，分析比較先進、全面，已經(jīng)被大多數(shù)國家的管板規(guī)范所采用?？紤]到管孔的削弱，再引入經(jīng)驗性修正系數(shù)的做法比較粗糙，適用范圍比較窄，結(jié)果比較保守，局限性大。ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范第Ⅷ卷第2篇中給出了管板分析設計的方法，ASME規(guī)范中關于管板的規(guī)范發(fā)展歷程雖然不長，但應用卻很廣泛。德國的AD規(guī)范將管子當作管板的固定支撐而管板是管子支撐著的平板。實踐證明，該規(guī)范適用于各種薄管板的設計。由于各個規(guī)范中計算方法所依據(jù)的簡化假設不同，所以對于同一個工況的管板來說，用不同的計算方法計算得到的結(jié)果差別很大，目前還沒有一個統(tǒng)一的計算方法。GB1511999《管殼式換熱器》所列入的管板計算公式基于的簡化假定是：把實際的管板簡化為承受均布載荷、放置在彈性基礎上且受到管孔均勻削弱的當量圓平板。通常管板周邊部分較窄的不布管區(qū)按其面積簡化為圓環(huán)形實心板?！Q熱器管板理論研究發(fā)展1989年，法國的Osweiller[8]對換熱器管板設計中的有效彈性常數(shù)的研究工作進展進行了全面的回顧。開始的兩個階段得到的理論值和實驗值存在著比較大的偏差；以后的第三階段由于使用計算機，并應用嚴密、有力的理論方法為，求解出了有效彈性常數(shù)的可信的值。1948年，Gardner[2]首先提出在承受相同載荷時，用相同特性、相同尺寸的當量實心板來代替真實的多孔板，同時考慮開孔對管板的削弱作用，還定義了一個因數(shù)η（η是開孔后板的抗撓剛度和開孔前板的抗撓剛度D*的比值，被稱為“管板削弱因數(shù)”或“撓度系數(shù)”）。在1952年，Horvay[9]應用最小應變能方法，提出了另外一種描述開孔對板削弱的方法。1955年，Duncan[10]用實驗的手段測量了開孔前后板在彎曲載荷作用下的撓度，并通過式（11）得到撓度系數(shù)： （11）式中：η是撓度系數(shù)；wp為開孔后板的撓度；wnp為開孔前板的撓度。1960年，Sampson[11]用光彈法在矩形塑料板中進行了實驗，并得出了不同情況下E/E*和γ*值的變化規(guī)律。1962年，O39。（3）第三階段（1963至今）該階段是以非常有力的理論方法的出現(xiàn)為界限，這些理論方法能夠確定三角形開孔排列形式和正方形多孔排列形式下的孔間帶系數(shù)η的函數(shù)、E/E*和γ*值。對于管板溫度場和熱應力場分布，Gardner[14]的研究指出：管板中只在靠近表面的一層金屬中存在較大的溫度梯度，因此只會在管板的這部分表面存在顯著的熱應力，其余部分的熱應力較小，這種現(xiàn)象稱為“表皮效應”。需要指出的是，Gardner的研究并未充分考慮到管板附近流場對傳熱的影響?！Q熱器數(shù)值模擬分析　換熱器管板數(shù)值模擬，前人對管板的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，這些成就主要集中在等效管板理論及其應用。隨著20世紀末計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬的興起，對換熱器管板的數(shù)值模擬也逐步發(fā)展。1990年，徐定耿等[18]應用SAP5和SAP6程序，首次突破等效管板理論，176。管板扇區(qū)的結(jié)構(gòu)進行了分析。分析的結(jié)果表明，對密集程度很高的方形排列的孔板可選取適當角度扇區(qū)來處理。結(jié)論認為管板的最大應力發(fā)生在管板與管箱連接的過度圓弧處。這種方法采用軸對稱一維蛻化板單元與殼單元，連同常用的8節(jié)點等參二維單元和彈簧單元使用，能較好地模擬固定管板式換熱器管板—管束—殼體—法蘭—膨脹節(jié)系統(tǒng)，并有較高的計算精度和較靈活的結(jié)構(gòu)適應能力。他們?nèi)匀徊捎肁NSYS軟件，分析了管板的軸對稱結(jié)構(gòu)，不同的是他們考慮了溫差應力的影響。其中建立的管子的數(shù)目為32根，對處在溫度和壓力載荷共同作用下的換熱器管板進行了模擬計算。同年，Weiya Jin等[23]對比了換熱器模擬中管單元和桿單元的準確度。2005年，劉海亮等[24]應用ANSYS有限元分析軟件，對某換熱器建立了包括管箱、部分殼體和換熱管影響的管板有限元實體模型，通過模擬得到了溫度場和熱應力場。Qian等人對比發(fā)現(xiàn)，實體單元模型和梁殼單元模型均能得到滿意的結(jié)果?！Q熱器流場數(shù)值模擬計算流體力學（putational fluid dynamics簡稱CFD）、實驗流體力學、理論流體力學是研究流動的三種主要手段。由于計算機技術的發(fā)展，計算流體力學（CFD）分析軟件獲得了迅速的發(fā)展。CFD中可以選擇不同流動參數(shù)進行各項研究和優(yōu)化試驗，有較大的靈活性，同時CFD能給出比較完整的流場信息。從以上的介紹可知，數(shù)值模擬和實驗兩種方法可以互補長短，相互驗證[26]。所采用的模擬方法主要分為直接數(shù)值模擬法和多孔介質(zhì)模型法。兩種方法的區(qū)別是：直接數(shù)值模擬是將流體、固體分別劃入不同的控制體，定義不同的物性來表示。多孔介質(zhì)模型是將流體、固體劃人同一個控制體，通過對守恒方程的修改來表現(xiàn)固體的影響。但實際工程中換熱器內(nèi)的換熱管數(shù)可達數(shù)百根甚至上千根，計算模型較大，無法進行直接模擬，目前主要使用多孔介質(zhì)模型[[28]?！”疚牡难芯磕康暮蛢?nèi)容　研究目的管殼式換熱器在工程實際中被廣泛應用，管板在工程中是易發(fā)生事故的部件之一。蒸汽發(fā)生器是核工程中較易發(fā)生事故的設備之一，發(fā)生事故的原因是與管板連接的換熱管管口處斷裂。但清華大學的吳德勝和薛明德[29]通過理論分析得到結(jié)論，認為失效部位的熱應力非常明顯，也可能是造成失效的重要原因。近幾年來，隨著計算機技術的發(fā)展，有限元數(shù)值分析法在管板研究及設計上的應用成為可能，該方法的最大優(yōu)點是可以采用實體模型來比較真實地模擬管板復雜的真實結(jié)構(gòu)以及真實載荷與其他邊界條件。 在換熱器管板的設計模型中，傳統(tǒng)的方法是施加溫度載荷和對流載荷的分析模型。本課題擬利用流固耦合分析模型，分析研究流體流動狀態(tài)的改變對換熱器管板熱應力場的影響。第二章　　換熱器管板的三維有限元模型　管板的基本參數(shù)　主要結(jié)構(gòu)尺寸換熱器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖21所示，為單管程單殼程結(jié)構(gòu)。幾何模型的主要尺寸見表21。表22　　換熱器的主要工藝參數(shù)項目管程殼程工作介質(zhì)導熱油導熱油設計壓力/MPa1010設計溫度/℃300160工作溫度/℃(進口/出口)320/285150/185　物性數(shù)據(jù)換熱器管板主體和管箱筒體采用14Cr1Mo鍛件，殼程筒體采用20MnMo鍛件，換熱管材質(zhì)為15CrMo。由于換熱器用材料溫度變化范圍較大，因此計算時需要考慮材料性能隨溫度的變化，具體數(shù)據(jù)見表23。表23　　換熱器用材料的物性數(shù)據(jù) 溫度參數(shù)0℃100℃200℃300℃400℃密度 kg/m378507850785078507850比熱 J/(kgK)線膨脹系數(shù)1061/℃彈性模量 GPa207203198190180泊松比表24　　流體物性數(shù)據(jù) 溫度參數(shù)100℃200℃300℃360℃密度 kg/m3987917847720比熱 J/(kgK)粘度 105Pa在建模過程中，主要有以下幾方面的簡化：（1）忽略換熱管在管箱側(cè)的伸出長度；（2）認為換熱管和管板緊密結(jié)合，不考慮換熱管與管板的接觸問題；　有限元模型的建立　實體模型的合理切分在常用流場分析前處理軟件，如ICEM CFD和GAMBIT中常用“O形環(huán)”處理圓柱形流體網(wǎng)格，如圖23所示。在ANSYS中雖然沒有這樣的“O形環(huán)”網(wǎng)格劃分功能，但是只要合理的切分體也能畫出這樣的網(wǎng)格。鑒于本課題的具體模型，作者借鑒“O形環(huán)”的網(wǎng)格劃分思想，采用正六邊形來逼近圓形，且在換熱管內(nèi)部和外部分別切分出內(nèi)部“O形環(huán)”和外部“O形環(huán)”，實體切分情況如圖24所示。而且正六邊形的“O形環(huán)”還有利于形成完整的換熱器模型，如圖26所示。圖25　　單個“O形環(huán)”網(wǎng)格劃分　換熱器有限元模型的建立為了得到較為準確的管板溫度分布情況，需要先得到較為準確的流場分布情況，因此本模型僅在殼程部分對流體進口部分進行四面體網(wǎng)格劃分，以保證管板附近流場的準確性。兩者可以相互轉(zhuǎn)化，比較適用于本模型。比起自由網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在壁面處能夠更好地表達與壁面的一致。由于結(jié)構(gòu)的復雜性，在殼程流體的進口位置附近有少量的自由網(wǎng)格，其幾何模型如圖213所示，其網(wǎng)格如圖214所示，其網(wǎng)格剖分圖如圖215所示。圖28　　整體模型網(wǎng)格劃分正視圖　小結(jié)本章通過對換熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸、工藝條件以及物性數(shù)據(jù)進行了簡單介紹。圖29　　整體模型網(wǎng)格劃分斜視圖圖210　　固體模型網(wǎng)格劃分斜視圖（殼體隱去1/2）圖211　　流體模型網(wǎng)格劃分斜視圖圖212　　管板網(wǎng)格劃分斜視圖圖213　　殼程進口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格幾何體圖214　　殼程進口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖圖215　　殼程進口處非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖（隱去1/2） 第三章　　換熱器管板的溫度場和熱應力場模擬結(jié)果分析　溫度場的結(jié)果分析模擬得到的固體模型溫度場分布云圖如圖31所示。圖31　　換熱器溫度場分布云圖為了更好地描述管板溫度場分布情況，在管板厚度方向上取5條路徑，如圖34所示。path1~path4的溫度分布曲線對比如圖35所示，path2的溫度分布曲線見圖36，path2與path5的溫度分布對比見圖37。路徑2存在一定的溫度梯度，但其溫度梯度小于路徑1的溫度梯度。由圖36可以看出，在不到管板厚度1/3的距離，路徑2溫度就上升了整個溫度梯度的一半。圖32　　管板溫度場分布云圖圖33　　管板對稱截面處的溫度場分布云圖圖34　　管板的路徑分布圖圖35　　路徑14的溫度分布曲線圖36　　路徑2的溫度分布曲線圖37　　路徑2與路徑5的溫度分布曲線對比由圖37，可以看出，路徑5的溫度梯度比路徑2大。當流體通過殼程進口管進入筒體后，由于流動場體積的變大，流速會有一個急劇的下降過程。從圖38中可以看出，在靠近殼程入口管的區(qū)域流速較高，在遠離殼程入口管的區(qū)域流速較低，而路徑1到路徑4附近的流體流速依次降低，這與路徑14的溫度梯度變化保持一致?？紤]到布管的影響，可以看出路圖38 管板附近靠近殼程側(cè)流場速度分布云圖徑2處在換熱管背向進口管流速的一側(cè)，流速受到了換熱管的“削弱”。所以，路徑5和路徑2相比附近流速要高，它們的溫度梯度變化也與其附近的流體流速變化保持一致。但是，由于熱傳導速度較慢，在工程中為了提高效率，均采用對流傳熱。當管板附近殼程側(cè)流速較高時，對流傳熱是傳熱的主要方式，這時候流場溫度