基于热流固耦合的微型换热器设计方法研究

摘要

以整体微通道换热器为研究对象的流体流动传热和结构热应力的有限元数值模拟方法均面临有限单元数过多诱发的通用计算机计算能力不够的限制，从而使微通道换热器结构应力模拟仿真至今仍是一项工程技术挑战，针对这一技术难题，本文研究提出了通过在对称单元位移边界施加等效弹性支撑约束来近似反映微通道壁面的热胀冷缩的位移约束的简化模拟技术方法，并实现了微通道换热器传热和结构应力的快速模拟，为微通道换热器计算机辅助工程虚拟样机设计奠定了基础。本文基于对称单元位移边界施加等效弹性支撑约束的简化模拟技术方法，模拟研究了不同微通道换热器的流阻特性、传热特性和结构强度特性，为研发高效微通道换热器提供了理论指导。研究主要取得如下成果：
　　在微通道换热器中截取对称单元方法不能直接用于结构应力模拟仿真，而采用整体微型换热器为对象的结构应力模拟仿真又面临计算机计算能力的限制，所以微通道换热器结构应力模拟仿真至今仍是一项工程技术挑战，而研究提出基于对称单元的微通道换热器结构应力的有限元简化模拟分析法是解决这一技术难题的关键。
　　针对上述技术难题，本文首次研究提出了通过在对称单元位移边界施加等效弹性支撑约束来近似反映微通道壁面的热胀冷缩的位移约束的微通道换热器危险区域热流固耦合热应力的有限元简化数值模拟方法。
　　基于对称单元施加等效弹性约束的有限元简化数值模拟方法系统研究了不同微通道换热器的流阻特性、传热特性和结构强度特性，研究结果表明微通道换热器流阻压降从大到小排序为：三角形微通道?六边形微通道?矩形微通道?椭圆形微通道?圆形微通道；冷流体实际被加热效果从大到小排序为：三角形微通道?矩形微通道?六边形微通道?椭圆形微通道?圆形微通道。传热速度从大到小的排序为：椭圆形微通道?圆形微通道?六边形微通道?矩形微通道?三角形微通道，结构强度从高到低排序为：三角形微通道?矩形微通道?六边形微通道?圆形微通道?椭圆形微通道。

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第一章 绪论

1.1 选题的目的及意义

1.2 微通道换热器研究进展

1.3 换热器流固耦合研究进展

1.4 ANSYSWorkbench简介

1.5 本文研究内容

第二章 微型换热器流固耦合传热理论模型

2.1 基本假设

2.2 控制方程和边界条件

2.3 本章小结

第三章 热流固多场耦合数值模拟方法研究

3.1 套管式换热器热流固耦合数值模拟

3.2 传统换热器热应力计算方法

3.3 本章小结

第四章 基于对称元的微型换热器传热与应力分析方法研究

4.1 对称单元计算应力的缺陷及解决方案

4.2 圆形微通道换热器对称单元等效弹性约束研究

4.3 椭圆形微通道换热器对称单元等效弹性约束研究

4.4 本章小结

第五章 基于对称单元法流动传热与结构应力数值模拟研究

5.1数值模拟条件

5.2 数值模拟结果

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 创新性及不足之处

致谢

参考文献