煤器换热管内流固耦合模拟simulationoffluidstructurecouplinginheat？transfe
摘 要摘 要随着科技世界的日益发展，人们对于物体的性能及结构有了越来越清晰的认知。在锅炉行业，除了对能源利用效率的重视，还要考虑材料的性能。省煤器的蛇形管通常较细，而管内流体和管外烟气在扫掠管壁时，必定对蛇形管造成冲击，造成蛇形管的轻微位移。因此，研究省煤器蛇形管内流体之间的相互作用，对于锅炉行业具有较大意义，也给省煤器制造业提供一份参考和建议。省煤器主要有蛇形管和联箱组成，本文主要研究蛇形管与流体的相互作用。本文主要阐述省煤器的研究发展状况，并根据实际情况设计一款省煤器。同时重点研究蛇形管与管内水的流固耦合情况。通过Fluent软件最终得到的相关图表，进行分析得到结论。流固耦合涉及范围较广，本设计模拟速度对流固耦合的影响，用不同流速流体模拟管道内的位形变化，最终得到流速的增加使液体对管壁的冲击加强，尤其体现在管道入口和弯道处。对此提出相关改进意见减缓流固耦合。关键字锅炉；省煤器；蛇形管；流固耦合模拟；Abstract
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题意义和目的 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 省煤器概述 4
1.2.2 省煤器国内外研究现状 4
1.2.3 流固耦合概述 7
1.2.4 流固耦合国内外研究现状 7
1.2.5 应用趋势及需求 8
1.3 研究内容与方法 9
1.3.1 研究的主要内容 9
1.3.2 基本设计思路 10
1.3.3 研究的主要方法 10
第二章 省煤器和流固耦合的设计方案 11
2.1 设计目标 11
2.2 整体方案实现 11
2.3 省煤器的选择 12
2.4 流固耦合的问题分析 12
2.5 本章小结 13
第三章 低温省煤器的设计 14
3.1 设计步骤 14
3.2 低温省煤器的结构计算 14
3.3 低温省煤器的燃料燃烧计算 16
3.3.1燃烧计算 16
3.3.2烟气特性计算 18< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
br /> 3.3.3烟气焓计算 20
3.4 低温省煤器的热力计算 21
3.5 本章小结 25
第四章 省煤器建模与简化模型管流固耦合分析 26
4.1整体模型的建立 26
4.1.1建立几何模型创建模块 26
4.1.2省煤器箱体建模 26
4.1.3省煤器蛇形管建模 27
4.2简化模型管建模与网格划分 28
4.3流体分析 30
4.3.1添加边界条件 30
4.3.2后处理和结构静力分析 31
4.3结果处理 31
4.3.1云图整理 31
4.3.1数据分析 38
4.4本章小结 40
第五章 省煤器细长管模型的流固耦合 41
5.1 省煤器细长管的建模与网格划分 41
5.1.1 无壁厚省煤器细长管的建模与网格划分 41
5.2 无壁厚省煤器细长管的流固耦合分析 42
5.3 有壁厚省煤器细长管的流固耦合分析 43
5.4 数据分析 44
5.5 改进建议 45
总结与展望 46
致谢 48
参考文献 49
第一章 绪论
选题意义和目的
科技的发展必定带动各个行业的更新，在锅炉行业中，人们更加关心机器的能量利用率以及使用寿命。省煤器安装于锅炉尾部，实质上是一种用于回收余热的装置。省煤器安装于锅炉烟道尾部，它吸收低温烟气热量，使烟气的排烟温度下降，节省资源并提高了效率，所以称之为省煤器（如图11）。
/
图11 省煤器机组
省煤器实际上是一种换热器，如何使换热器的传热效率得到提高，使传热性能得到强化是节省投资，节省能源的主要途径。
目前市场上的省煤器分类有多种：
给水温度低称为非沸腾式，给水温度高称为沸腾式；
制造材料不同分类也不同，主要由铸铁和钢管两种材料。铸铁管只能用于非沸腾式，压力≤2.5MPa的省煤器，而钢管多用于沸腾式省煤器，也有用于非沸腾式省煤器，压力≥2.5MPa。
按装置的形式可分立式与卧式，立式指蛇形管竖直放置，卧式指蛇形管水平放置。水流自上而下为顺流，自下而上为逆流。图12所示两种不同步布置方式。
/ /
(a)卧式省煤器 (b)立式省煤器
图12 省煤器不同布置方式
省煤器管子形状也形态各异，有光管和翅片式（如图13），而翅片式又分为H型省煤器和螺旋翅片省煤器。其中，H型省煤器应用较普遍。
/
图13 翅片式换热管
省煤器的主要作用有：
(1)回收烟气热量，使排烟温度下降，减少热损失；
(2)减少水在受热面的热量，并且省煤器可以代替部分昂贵的蒸发受热面；
(3)给水温度的上升壁面温差减少，热应力随之下降，汽包寿命增加。
流固耦合，顾名思义，是研究——流体与固体在流场相互作用下产生的各种行为、固体的细微位移对流场的影响——这两者相互作用的一门科学。由于两相介质之间产生相互作用，导致固体在流体冲击等作用下产生变形或运动。相反地，这种变形或运动又对流体运动产生阻碍或者推动作用，必定引起流体载荷的分布和大小，这是流固耦合的一项重要特征。因此在不同条件下产生的流固耦合必定大不相同。
/
图14 对某管道的流固耦合模拟压力图
省煤器主要由蛇形管和箱体组成，在烟气或管内水流与蛇形管进行热流交换时，由于烟气和水流具有较高的流速，会对管壁造成到一定的冲击。而不合理的压降差和温差也会对管壁造成热腐蚀。蛇形管束在介质的冲击下，会造成流体诱导振动。当振幅到达一定的趋势时，蛇形管的结构将会被破坏，使省煤器局部失效，严重则会整体报废。因此，研究省煤器换热管与流体之间的流固耦合，利用ANSYS分析得到图表，分析管子所受到的影响，在一定程度上给予了省煤器设计的指导。故本文主要分为两部分，一部分为省煤器的设计，一部分为流固耦合模拟。设计思路主要如下：
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题意义和目的 1
1.2 国内外研究现状 4
1.2.1 省煤器概述 4
1.2.2 省煤器国内外研究现状 4
1.2.3 流固耦合概述 7
1.2.4 流固耦合国内外研究现状 7
1.2.5 应用趋势及需求 8
1.3 研究内容与方法 9
1.3.1 研究的主要内容 9
1.3.2 基本设计思路 10
1.3.3 研究的主要方法 10
第二章 省煤器和流固耦合的设计方案 11
2.1 设计目标 11
2.2 整体方案实现 11
2.3 省煤器的选择 12
2.4 流固耦合的问题分析 12
2.5 本章小结 13
第三章 低温省煤器的设计 14
3.1 设计步骤 14
3.2 低温省煤器的结构计算 14
3.3 低温省煤器的燃料燃烧计算 16
3.3.1燃烧计算 16
3.3.2烟气特性计算 18< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
br /> 3.3.3烟气焓计算 20
3.4 低温省煤器的热力计算 21
3.5 本章小结 25
第四章 省煤器建模与简化模型管流固耦合分析 26
4.1整体模型的建立 26
4.1.1建立几何模型创建模块 26
4.1.2省煤器箱体建模 26
4.1.3省煤器蛇形管建模 27
4.2简化模型管建模与网格划分 28
4.3流体分析 30
4.3.1添加边界条件 30
4.3.2后处理和结构静力分析 31
4.3结果处理 31
4.3.1云图整理 31
4.3.1数据分析 38
4.4本章小结 40
第五章 省煤器细长管模型的流固耦合 41
5.1 省煤器细长管的建模与网格划分 41
5.1.1 无壁厚省煤器细长管的建模与网格划分 41
5.2 无壁厚省煤器细长管的流固耦合分析 42
5.3 有壁厚省煤器细长管的流固耦合分析 43
5.4 数据分析 44
5.5 改进建议 45
总结与展望 46
致谢 48
参考文献 49
第一章 绪论
选题意义和目的
科技的发展必定带动各个行业的更新，在锅炉行业中，人们更加关心机器的能量利用率以及使用寿命。省煤器安装于锅炉尾部，实质上是一种用于回收余热的装置。省煤器安装于锅炉烟道尾部，它吸收低温烟气热量，使烟气的排烟温度下降，节省资源并提高了效率，所以称之为省煤器（如图11）。
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图11 省煤器机组
省煤器实际上是一种换热器，如何使换热器的传热效率得到提高，使传热性能得到强化是节省投资，节省能源的主要途径。
目前市场上的省煤器分类有多种：
给水温度低称为非沸腾式，给水温度高称为沸腾式；
制造材料不同分类也不同，主要由铸铁和钢管两种材料。铸铁管只能用于非沸腾式，压力≤2.5MPa的省煤器，而钢管多用于沸腾式省煤器，也有用于非沸腾式省煤器，压力≥2.5MPa。
按装置的形式可分立式与卧式，立式指蛇形管竖直放置，卧式指蛇形管水平放置。水流自上而下为顺流，自下而上为逆流。图12所示两种不同步布置方式。
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(a)卧式省煤器 (b)立式省煤器
图12 省煤器不同布置方式
省煤器管子形状也形态各异，有光管和翅片式（如图13），而翅片式又分为H型省煤器和螺旋翅片省煤器。其中，H型省煤器应用较普遍。
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图13 翅片式换热管
省煤器的主要作用有：
(1)回收烟气热量，使排烟温度下降，减少热损失；
(2)减少水在受热面的热量，并且省煤器可以代替部分昂贵的蒸发受热面；
(3)给水温度的上升壁面温差减少，热应力随之下降，汽包寿命增加。
流固耦合，顾名思义，是研究——流体与固体在流场相互作用下产生的各种行为、固体的细微位移对流场的影响——这两者相互作用的一门科学。由于两相介质之间产生相互作用，导致固体在流体冲击等作用下产生变形或运动。相反地，这种变形或运动又对流体运动产生阻碍或者推动作用，必定引起流体载荷的分布和大小，这是流固耦合的一项重要特征。因此在不同条件下产生的流固耦合必定大不相同。
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图14 对某管道的流固耦合模拟压力图
省煤器主要由蛇形管和箱体组成，在烟气或管内水流与蛇形管进行热流交换时，由于烟气和水流具有较高的流速，会对管壁造成到一定的冲击。而不合理的压降差和温差也会对管壁造成热腐蚀。蛇形管束在介质的冲击下，会造成流体诱导振动。当振幅到达一定的趋势时，蛇形管的结构将会被破坏，使省煤器局部失效，严重则会整体报废。因此，研究省煤器换热管与流体之间的流固耦合，利用ANSYS分析得到图表，分析管子所受到的影响，在一定程度上给予了省煤器设计的指导。故本文主要分为两部分，一部分为省煤器的设计，一部分为流固耦合模拟。设计思路主要如下：
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