用于超声波除垢的换热器声学特性分析与仿真

摘要

换热器被广泛的应用于能源、化工、制药、石油等行业中，换热器内部管道的结垢问题一直困扰着人们。污垢不仅影响到了换热器的热传递效率，造成了能源的浪费，而且还会腐蚀换热设备，增加了维修次数和维护的费用。所以，开展对换热器进行除垢技术的研究，既可以提高生产效率，又具有显著的经济效益。目前，换热器除垢普遍采用机械、化学两种方法。机械和化学方法会造成设备换热面受损，破坏生态环境，增加运行费用。超声波除垢作为一种新兴的物理除垢方法，具有良好的综合除垢效益，已被越来越广泛的应用。
　　超声波除垢的主要机制是超声波的机械效应和空化效应。机械效应使各质点产生巨大的加速度，迫使污垢跟管壁脱离；空化效应是存在于液体中的微小气泡在超声波的作用下不断经历正负压交替变换最终崩溃的过程，空化泡的瞬间崩溃释放出巨大能量，对污垢进行冲击，从而达到除垢目的。
　　本文对超声波的机械效应和空化效应两方面进行数值分析，从不同的角度研究超声波除垢的作用效果。本文对超声波的机械效应进行了研究、分析和仿真，根据不同质点在不同周期下的位移变化来判断超声波机械效应发生的强烈程度；通过流固耦合分析模拟了超声波的空化效应，利用流场中的压力变化云图来判断空化效应发生的强烈程度。超声波除垢效果受到实际工况、流体参数、超声波换能器布置形式等因素影响。本文研究了在工况和流体一定的情况下，超声波换能器的数量以及安装位置对超声波的机械效应和空化效应的影响，提取求解出的云图进行对比，分析结果表明通过改变超声波换能器的数量和安装位置能够获得不同的除垢效果。最后，结合理论分析和仿真研究的结果，对超声波除垢在换热器除垢领域上的应用方法进行研究和优化设计以达到最佳的除垢效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 超声波除垢技术国内外发展现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 超声波除垢物理基础

2.1 超声波除垢基础

2.2 超声波换能器的特点及应用

2.3 超声波除垢时能量的衰减

2.4 本章小结

第3章 空化及空化泡运动学理论研究

3.1 空化发生与发展

3.2 空化泡运动方程推导

3.3 空化泡的自然共振频率

3.4 本章小结

第4章 换热器机械效应仿真研究

4.1 换热器结构分类及特点

4.2 换热器参数

4.3 换热器模型建立

4.4 换热器瞬态分析目的及分析方案

4.5 换热器模态分析研究

4.6 换热器瞬态分析研究

4.7 本章小结

第5章 换热器双向流固耦合流体仿真研究

5.1ANSYS Workbench流固耦合分析介绍

5.2 换热器双向流固耦合分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢