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1、哈尔滨理工大学学士学位论文基于SolidWorks的换热器换热效率模拟分析摘要换热器是化工、炼油、动力、食品、轻工、原子能、制药、航空及其他许多工业部门广泛使用的一种通用工艺设备。换热器不仅能够合理调节工艺介质的温度以满足工艺流程的需要，也是余热、废热回收利用的有效装置。鉴于换热器在工业生产中的重要作用及其能耗较大的现状，改进和提高换热器的性能及传热效率成为节能降耗的重要途径，将产生重要的经济和社会效益。目前，计算机仿真已经成为一种重要的科研方法，我们可以利用计算机仿真进行换热情况的研究。本论文首先阐述了换热器的发展特点及国内外的研究情况，其次对流体力学分析从基本理论、处理问题的思路步骤和在软
2、件SolidWorks中的应用进行了阐述，并通过SolidWorks对套管式进行三维建模，利用流体分析工具Flow Simulation插件对换热器进行动态分析。从而得到分析数据，数据主要利用图例从对称边界条件、流体子区域、边界条件、固体材料、体积目标说明换热器的换热情况。应用SolidWorks软件仿真可以降低研究成本，缩短产品的开发周期，提高工作效率。本文通过对换热器的三维建模，有助于了解换热器的基本结构。对换热器的运动仿真及应用Flow Simulation进行仿真的方法可以为换热器安全性和经济效率的后续研究提供了一些参考。关键词： SolidWorks；Flow Simulation；
3、换热器；三维建模；流体分析Analysis of heat exchanger efficiency based on the Solidworks flow simulationAbstractHeat exchanger is a universal process equipment of chemical, food, light industry and pharmacy, aerospace, nuclear and many other industrial departments. Heat exchanger not only can be reasonable adjust
4、ment process medium temperature to satisfy the need, but also can be process waste heat recovery and utilization device. Since heat exchanger in industrial production have the important role of the status of large energy consumption, improving the efficiency of heat exchanger performance and becomin
5、g the important way, energy consumption will produce an important economic and social benefits. At present, the computer simulation has become an important tool, we can use the computer simulation research of stamping safety. This paper elaborates the characteristics and development of heat exchange
6、r and the research situation of physical analysis, secondly, the convection from basic theory, handling problems and application in software SolidWorks are expounded, and through three-dimensional type of casing SolidWorks modeling, Simulation of fluid Flow analysis tool for heat exchanger for dynam
7、ic analysis .To analyze data, using data from the symmetrical boundary conditions, and illustrations area, fluid boundary conditions, the solid material, the volume of the heat exchanger that goal.Application of SolidWorks software simulation studies to reduce costs, shorten product development cycl
8、es, improving work efficiency. Based on the three-dimensional modeling of the heat exchanger, heat exchanger can understand the basic structure of the heat exchanger . The motion simulation of heat flow and application simulation method of simulation for safety and economic efficiency of heat exchan
9、ger follow-up study provides some reference.Key words：SolidWorks; Flow Simulation; heat exchanger; three-dimensional modeling；fluid analysis不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内、外研究现状11.3 研究内容、目的及意义5第2章 建模仿真方法72.1 三维建模72.2 SolidWorks 软件简介82.2.1 系统简介82.2.2 系统要求92.3 Solidworks
10、软件建模102.4 模拟仿真12第3章 换热器的建模133.1 换热器模型的建立133.1.1 模型的简化133.1.2 建模方案133.1.3 换热器主要零件模型的建立143.1.4 换热器盖体的建立173.2 换热器模型的装配183.2.1 装配体基本操作方法183.2.2 换热器的装配18第4章 应用Flow Simulation进行数值模拟及验证214.1 套管式换热器换热系数的计算公式214.2 创建Flow Simulation数值仿真项目214.2.1 创建项目214.2.2 定义流体子区域234.3 定义边界条件254.3.1 定义边界范围254.3.2 定义固体材料264.3
11、.3 定义体积目标264.4 验证数据及观察图形274.4.1 运行计算274.4.2 观察目标274.4.3 创建切面云图284.4.4 显示流动迹线294.4.5 表面参数计算304.4.6 计算热交换系数314.4.7 定义参数显示范围32结论34致谢35参考文献36附录38千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题背景换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。套管换热器是使两种或多种流体之间进行能量交换的设备，是化工、制冷等系统中
12、广泛应用的换热器。其具有结构紧凑、耐高压、传热强度大的特点，被大量应用于冷热水机组。目前套管式换热器占据着换热器市场37%，在电厂热力系统、冶金、炼钢、制冷、化学等工业中应用极为广泛，并在这些行业中发挥着重要的作用。套管式换热器性能的高低对于这些高耗能行业的节能具有重要的意义，同时也是这些行业节能战略的重要突破点。因此，套管式换热器多年以来一直是人们关注的焦点，他们通过不同的方法来提高换热器的换热性能。许多企业在家用空调设计时会采用套管换热器与翅片管换热器配合使用，以提高系统整机效能。只有准确地预测换热器性能，掌握换热器的换热效率，才能进一步优化设计并提高系统的性能。根据现有实验表明，在实际运
13、行过程中，换热器的各种条件不会一成不变，时刻处于不稳定状态。如何控制换热器运行在最佳工况，需要对换热器的动态特性进行研究1。同时，从外部环境来看，近年来，能源资源问题日趋严重，随着人们对可持续发展重要性的认识，节能意识的不断提高，就对换热效率提出了更高的要求。作为重要的能量交换设备的换热器，它的效率的提高无疑对于能源的有效利用有重要意义2。传统的换热器设计方法往往由于经验估算精度差，样机的设计修改、制作与测试的次数较多，而造成开发周期过长、开发费用巨大，并且很难使开发的产品达到最节能、节材的设计效果。而采用计算机仿真的方法，以换热器内部传热传质机理为理论依据，在计算机上建立换热器模型，可以减少
14、对实际样机测试的依赖程度，这将大大提高对换热器性能预测的快速性和准确性，所以已经成为现代产品设计的主要发展方向3。1.2 国内、外研究现状尽管计算机及其应用技术已经深入换热器研究开发的各个方面，特别是CFD技术大大促进和推动了换热器研究设计技术的升级发展，但是实验研究依然在换热器研究开发过程中扮演着重要角色，将理论分析、实验研究、CFD数值模拟三者结合以相互补充，是研究换热器问题的理想而有效的手段。换热器研究开发和设计中往往需要必要的实验环节，对数值模拟结果的准确性和精度进行验证，甚至需要根据实验数据与数值模拟数据的对比结果，修正和调整数值模拟的方法，诸如网格尺寸和划分方法、物理模型和控制参数
15、的选取等，以期在数值模拟的计算速度、准确性、稳定性和精度等方面获得最佳方案。因为以上因素在换热器数值模拟过程中极其关键，不同的网格尺寸和划分方法、尤其是物理模型和控制参数的不同选取方案，数值模拟的结果往往是有所差别的；又如目前较为常用的、用于换热器壳程数值模拟的多孔介质模型，涉及到的分布阻力、分布热源等重要参数，若根据经验来确定，不易把握其准确性，只能通过实验确定。在无法通过经验或理论分析等方式预估换热器内流体流场和温度场的真实特性时，如在进行新的换热器结构开发和性能测试过程中，实验验证将是确保数值模拟结果准确性和精度的必要手段。由于换热器内部结构的复杂性，长期以来换热器包括管壳式换热器的研究和开发都是采用实验的方法，建立实验模型，测量实验数据，进行数据处理，然后回归出换热器的传热与流动阻力等计算关联式，并将其应用于换热器的工程设计中。很显然，实验方法具有直观、真实、可靠的特点，对于认识和探索换热器内的流动及换热特性都能起到非常重要的作用。换热器的种类是很多的，弄清换热器种类对换热器模拟来说也是十分重要的4。1换热器的发展及特点 二十世纪20年代出现板式换热器，并应用于食品工业。以板代管制成的换热器，结构紧凑，传热效果好，因此陆续发展为多种形式。30年代初，瑞典首次制成螺旋板换热器。接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器，用于飞机发动机的散热。30年代末，
