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管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的数值模拟研究一、本文概述本文旨在通过数值模拟的方法，深入研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程。
管壳式换热器作为一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、能源、环保等多个领域。
在实际应用中，壳侧气液两相流动和传热过程的复杂性往往导致设计优化和运行控制的困难。
本文的研究对于提高管壳式换热器的性能，提升工业生产效率具有重要的理论和实践价值。
在数值模拟研究中，我们将首先建立管壳式换热器的数学模型，考虑壳侧气液两相流动的流动特性、传热过程、相间作用等因素，利用计算流体力学（CFD）等先进方法，进行求解和模拟。
通过对比实验结果，验证数学模型的准确性和可靠性。
在此基础上，我们将对管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热过程进行深入分析，探讨不同操作条件、结构参数对流动和传热性能的影响，揭示其中的流动和传热机理。
同时，我们还将探索优化设计方案，提高换热器的传热效率和稳定性，为实际工业应用提供有益的参考和指导。
本文将通过数值模拟的方法，全面研究管壳式换热器壳侧气液两相流动和传热的过程，为换热器的设计优化和运行控制提供理论支持和实践指导。
二、管壳式换热器的结构与工作原理管壳式换热器是一种常见的热交换设备，广泛应用于化工、石油、能源、制冷等工业领域。
其基本结构由管束、壳体和管板等几部分组成。
管束由多根管子平行排列组成，管子内部为流体通道，用于传递热量。
壳体则包围在管束外部，形成一个封闭的空间，壳体内也有流体流动，与管内的流体进行热量交换。
管板则起到固定管束和密封的作用，同时也作为流体进出口的连接部分。
管壳式换热器的工作原理基于热传导和对流传热两种基本传热方式。
当两种不同温度的流体分别流过管内和管外时，由于温度差异，热量会从高温流体传递到低温流体。
管内流体通过对流传热将热量传递给管壁，然后通过热传导方式将热量传递给管外流体，最终实现两种流体之间的热量交换。
在管壳式换热器中，流体的流动状态对传热效果有重要影响。
lbm 高超声速计算
LBM（Lattice Boltzmann Method）是一种基于微观粒子动力学的流体动力学模拟方法，它可以用于模拟高超声速流动。
在高超声速流动中，流体的速度远远超过声速，因此需要考虑诸如激波、脱离层等复杂的流动现象。
LBM作为一种基于格子的方法，可以模拟这些复杂的流动现象。
要进行高超声速流动的LBM模拟，首先需要选择适当的离散速度模型和格子类型，以及相应的边界条件。
对于高超声速流动，通常会选择D3Q27格子模型，它包含27个离散速度方向，能够更好地描述流体的运动。
在进行高超声速流动的LBM模拟时，需要考虑流体的压力、密度、温度等物理量的耦合，以及化学反应等因素。
此外，还需要考虑流体与固体或流体与流体的相互作用，以及可能存在的激波、脱离层等现象对流动的影响。
在实际计算过程中，需要考虑模拟的精度和计算的稳定性，选择合适的时间步长和网格分辨率，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
同时，还需要考虑并行计算的方法，以提高计算效率。
总之，高超声速流动的LBM计算涉及到多个方面的物理和数值计算问题，需要综合考虑流体动力学、热力学、化学反应以及数值模拟等知识，以及计算机科学和并行计算技术，才能进行全面、准确的模拟。
计算流体力学二维冷、热混合器的传热及流动特性班级：硕动力143班学号：****************摘要在工程和生活中，冷、热混合器内的流动是最常见也是最简单的一种流动。
本文用Fluent软件来模拟研究二维冷、热混合器内的传热及流动特性，主要对速度分布、温度分布以及出流口截面上的温度、压力及速度分布情况作出分析。
首先在Gambit里建立物理模型，建立二维冷、热混合器的物理模型，并划分四叉树、三角化和混合型三套网格。
选用能量守恒方程，分别对三套网格下，冷、热混合器内部流体进行模拟分析，并在FLUENT软件中以直观的方式表示出了在K-epsilon湍流模型下，三套不同网格在混合器内的流动状况以及在四叉树网格下，设置Spalart-Allmaras湍流模型下表示出混合器内的流动情况。
分析讨论并比较所得到的数值模拟结果的准确性。
关键词：FLUENT；冷、热混合器；数值模拟目录1 绪论 (1)1.1 课题提出的意义 (1)1.2 直接数值模拟方法简介 (1)1.3 主要研究内容 (1)2 直接数值模拟方法 (2)2.1 FLUENT简介 (2)2.2 FILENT计算过程 (3)2.2.1 建立数学物理模型 (3)2.2.2 数值模拟阶段 (3)2.2.3 后处理阶段 (3)2.3 控制方程 (4)2.3.1 物理模型 (4)2.3.2 湍流流动的数值模拟 (4)3 在GAMBIT中建立模型 (5)4 在FLUENT中求解计算 (6)4.1 FLUEMT的参数设置 (6)4.2 混合器的计算结果及分析 (7)4.2.1 分析三种网格的计算结果 (7)4.2.2 分析两种湍流模型的计算结果 (11)5 总结与展望 (15)5.1 总结 (15)5.2 展望 (15)6致谢 (16)7参考文献 (17)1绪论1.1 课题提出的意义对水流进行数值模拟的一个有效的工具是fluent 将其应用于计算流体动力学进行数值模拟，可以方便地计算出各项水流参数的全场分布，具有计算快速，简捷，数值精度较高等优点。
lbm边界条件LBM（Lattice Boltzmann Method）是一种基于格子的数值模拟方法，可以用于模拟流体力学问题。
而LBM边界条件是在模拟中给定边界的物理条件，这些条件将影响流体在边界处的行为。
本文将主要介绍LBM边界条件及其在模拟中的作用。
1. 底部边界条件底部边界可以是固定的，也可以是运动的。
在LBM中，固定边界可以简化为在底部所在格子的速度值为0。
这是由于LBM中的速度分布函数（Distributation Function，DF）满足守恒和非守恒两个特点，因此速度为0的DF在模拟中特别容易用于描述固定边界。
对于运动底部边界，通常需要给定边界的运动方式，并使用适当的边界条件来调整速度分布函数。
对于不同的边界运动方式，可以使用不同的边界条件来实现。
例如，对于振动物体的边界，可以使用振动边界条件来调整速度分布函数并实现更准确的模拟。
顶部边界条件通常是根据问题的具体情况来确定的。
通常，顶部边界的速度可以在模拟开始时确定，并根据需要进行调整。
此外，LBM中的速度与密度是密切相关的，因此，可以在顶部边界处指定密度值以更好地控制流体在顶部的运动。
对于左右侧边界，可以使用周期性边界条件来实现周期性流动。
在周期性边界条件下，流体在左侧边界穿过模拟空间时会出现在右侧边界上，使得模拟空间看起来像是一个环形空间。
对于不同的流动模式，可以使用不同的边界条件来模拟。
例如，在情况下，可以使用反弹边界条件来模拟粘性流动。
LBM还支持其他边界条件，例如自由边界、固定压力边界和强制速度边界等，这些条件在不同的流体问题中发挥着重要作用。
其中，自由边界用于描述流体与空气相互作用的过程，固定压力边界用于控制流体在空间中的流动，强制速度边界用于描述涂层和表面流动性质。
总之，在LBM中，边界条件是控制流体在边界处运动的重要因素。
适当的边界条件可以使模拟更准确，提高模拟的可靠性。
因此，在对LBM进行数值模拟时，我们必须仔细考虑并选择适当的边界条件。
2工业技术1 引言 偏心水平环形空间中的自然对流问题广泛出现在工程技术和实际应用中，对偏心环形空间中的自然对流换热机理的研究具有重要的现实意义。
例如，目前的城市地下输电电缆在穿过道路等特殊地段时，通常将电缆搁置于埋藏在泥土中的高强度圆形护管内，对其进行保护。
此时，电缆与圆形护管间将形成一个水平偏心环形空气层，其间将产生自然能对流换热[1]。
换热器中圆管与外部壳体间也会出现类似的偏心水平环形液体层，其间的换热也是典型的水平偏心环形空间自然对流问题[2]。
本文采用贴体坐标下的格子Boltzmann 热模型对水平偏心环形空间中的自然对流换热进行数值分析，该方法将通用的插值格子Boltzmann 方法[3]（GILBM）与标准的热格子模型[4]（CLBGK）相结合，在计算具有大曲率物理边界的传热问题方面，与标准的热格子Boltzmann 方法相比，其边界描述更精确、计算效率也更高。
2 计算方法 贴体坐标下的热格子Boltzmann 模型包括两组演化方程：速度场演化方程和温度场演化方程。
参考通用的插值格子Boltzmann 方法模型的建立过程，需要将两组演化方程分解成碰撞和迁移两部分，首先介绍一下碰撞过程的演化方程： 式中， 和分别为函数；是流体粒子所处位置的矢量坐标；为时间；和 为无量 速度场迁移方程： （3） 温度场迁移方程：（4） 式中，为迁移距离；为时间步长； ， ，由它们来确定插值节点；为符号函数；和是插值系数。
插值系数计算方法可参考Li 和Feng 等[5]的文献。
为了建立温度场与速度场之间的联系，参照耦合的格子BGK 模型的3 水平偏心圆环自然对流传热数值分析3.1 物理模型建立 为了模拟水平环形空间中的自然对流，本文以空气为介质填充于环形空间中，取空气的普朗特数。
水平偏心圆环的物理模型如图1所示：内圆和外圆半径分别为 =5cm，=13cm；内圆偏心水平偏心环形空间内自然对流换热的LBM 数值分析吕双双1,周 训2（1.广州泰阳能源科技有限公司,广州 510000;2.大连理工大学能源与动力学院,辽宁 大连 116000）摘 要：在水平偏心环形空间中填充普朗克数为0.71的空气时，采用贴体坐标下的格子Boltzmann 热模型，对其间产生的自然对流换热现象进行数值分析，并获得环形空间中的速度与温度分布，为换热器中圆管与流体间热交换以及电缆在圆护管中散热情况提供了清晰的数值解析，为换热器结构优化以及电缆护管尺寸选择提供了科学依据。
摘要应用计算流体力学软件FLUENT对一小型管壳式换热器的流动与传热问题进φ×的换热管正方行了三维数值模拟。
单管程换热器直径为130 mm，12根201500形排列，折流板为30%缺口的弓形折流板，模拟了三种不同折流板间距的情况。
在模拟过程中采用雷诺应力湍流模型、压力速度耦合选用SIMPLEC格式，压力方程的离散选用Standard格式，其它方程的离散均选用QUICK格式。
两管程换热器直径为140 mm，其它参数值及模拟过程均采用与单管程相同的方式。
数值结果表明：减小折流板间距对总体传热系数的增加不太明显，但却显著增加了壳程的流动阻力。
应用Bell法对两管程换热器的数值模拟结果进行了校核，误差为9.37%，偏差稍大。
对单管程换热器的三种不同折流板间距的数值模拟结果校核，10块折流板的误差最大为7.22%，14、18块折流板的误差均在1%以内，吻合较好，表明数值模拟结果准确可靠。
为进一步应用数值模拟方法优化换热器的内部结构、提高换热器的整体性能打下了基础。
关键词：管壳式换热器，折流板数目，折流板间距，数值模拟AbstractThree-Dimension numerical study on the heat transfer and fluid flow of a smallshell-and tube heat exchanger is performed by using the commercial CFD softwarepackage FLUENT. The shell diameter of the Single-tube Heat Exchanger is 130 mm,φ×tubes arranged by square mode, segmental baffle with 30% which has twelve201500cut is used in this heat exchanger, three different baffle spacing is investigated. TheReynolds stress model for turbulent flow, SIMPLEC scheme for pressure-velocitycoupling, standard scheme for pressure equation discretization and QUICK scheme forother equation discretization are selected in this numerical study .The shell diameter ofthe Two-way heat exchanger is 140 mm，other parameter values and simulation are usedwith single-tube process in the same way.The numerical results show that the overall heat transfer coefficient increasesrelatively small by decreasing the baffle spacing, but the shell drag increasessignificantly. The numerical result of the two-way heat exchanger is checked by Bellmethod ,and the deviation is 9.37%.The numerical result of the three different bafflespacing is checked by Bell method, and their maximal deviation is 7.22%, 14、18 baffledeviation are within 1% , in a good agreement, which justify the numerical result. Thenumerical method can be utilized further to optimize the internal structure and enhancingthe overall performance of the heat exchanger.Key words: shell-and-tube heat exchanger, numerical simulation, FLUENT, Bellmethod目录第一章 前 言 (1)1.1 选题背景 (1)1.2 研究意义 (1)1.3 文献综述 (2)1.3.1 换热器的分类方式 (2)1.3.2 管壳式换热器的优、缺点 (6)1.3.3 换热器换热强化的方法 (6)1.3.4 管壳式换热器的研究方法 (8)1.3.5 换热器数值模拟的发展现状 (8)1.3.6 研究的基本内容、拟解决的主要问题 (10)第二章 数值计算的方法及过程 (11)2.1 概述 (11)2.1.1 数值计算工况概况 (11)2.2 Gambit 建模操作过程 (12)2.2.1 用FLUENT 程序求解问题的步骤 (12)2.2.2 GAMBIT 建模过程 (13)2.3 Fluent软件模拟四种工况网格划分情况 (21)2.4 Fluent 软件的操作过程 (23)第三章 数值模拟结果与校核 (37)3.1 管壳式换热器的计算及其传热性能分析 (37)3.1.1 顺流换热器的计算 (38)3.1.2 顺流和逆流换热器的对数平均温差 (40)3.1.3 换热器的热计算 (40)3.1.4 换热器的传热性能分析 (41)3.2 14块折流板管壳式换热器传热性能的比较 (43)3.3 14块折流板的校核计算 (47)第四章 结论与展望 (54)4.1 结论 (54)4.2 对进一步研究的展望 (54)参考文献 (56)致 谢 (58)研究成果 (58)声 明 (59)第一章前言1.1 选题背景随着全球能源和环境危机的凸显，节能减排日益成为各国能源与环境战略制定和能源相关行业研发应用的重要考虑因素。
