张志鑫开题报告

1、基于基于CFD的的变结构热交换变结构热交换器内三维流场器内三维流场数值模拟数值模拟 导师：导师：李旭东教授李旭东教授 学生：学生：张志鑫张志鑫1课题意义及国内外研究现状课题意义及国内外研究现状2研究目标研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题研究内容和拟解决的关键性问题3拟采取的研究方法、技术路线、实验方案拟采取的研究方法、技术路线、实验方案4与本课题有关的工作积累、已有的研究工作成绩与本课题有关的工作积累、已有的研究工作成绩5计划进度计划进度一、研究背景及意义v热交换器是一种利用流体进行热热交换器是一种利用流体进行热交流的设备，像这类设备里面大交流的设备，像这类设备里面大部分都会有两种或者两种

2、以上的部分都会有两种或者两种以上的不同温度流体进行传热。不同温度流体进行传热。v在工业生产里面热交换器的使用在工业生产里面热交换器的使用是非常多的。比如说在动力工业是非常多的。比如说在动力工业里面使用的锅炉装置的过热器，里面使用的锅炉装置的过热器，空气预热器等；以及航空工业中空气预热器等；以及航空工业中使用的热交换器，可以及时地把使用的热交换器，可以及时地把发动机以及辅助装置在使用的时发动机以及辅助装置在使用的时候出现的热量取出来，是非常重候出现的热量取出来，是非常重要的一个部件。要的一个部件。变结构的意义v广义地说，在控制过程（瞬态过程）中，系统结构（模型）可发生变化的系统，叫变结构系统。v

3、变结构相对于固定结构在模拟中具有更高的难度。变结构更加贴近实际情况，而固定结构是研究变结构问题的基础。基于课题组已经掌握热交换器三维固定流场的仿真模拟，所以本次计算机实验将会转向热交换器三维变结构流场的仿真模拟。 本课题需要利用本课题需要利用CFD软软件件中常用的标准中常用的标准k-湍流湍流模型的原理和应用，举模型的原理和应用，举例说明例说明CFD软件软件在在如右如右图图1所示类型的热交换所示类型的热交换器器内的三维内的三维变结构流场意变结构流场意义上义上流动与换热分析中流动与换热分析中的应用。的应用。 在在CFD软件的前处理软件中建立三维的变结构流场模软件的前处理软件中建立三维的变结构流场模

4、型，进行合适的网格划分。型，进行合适的网格划分。 在在CFD软件中设置可能要使用的载荷参数来赋予模型软件中设置可能要使用的载荷参数来赋予模型变结构流场的意义，然后变结构流场的意义，然后运用运用其其中的标准中的标准k-湍流模型进湍流模型进行计算，对行计算，对热交换热交换器内部的三维流场进行分析，期望捕捉器内部的三维流场进行分析，期望捕捉到到热交换器热交换器内部内部变结构变结构流场的一些规律性的东西，流场的一些规律性的东西，并并反映反映热交换热交换器内部的温度场和速度梯度，器内部的温度场和速度梯度，从而从而对对热交换热交换器的设器的设计和改进能有一定的指导意义。计和改进能有一定的指导意义。国内外研

5、究现状v但在热交换器三维的变结构流场的仿真模拟方面，国内还少有人探索。所以本课题组在继承了热交换器三维的固定结构流场的仿真模拟下，进行变结构流场的模拟研究，期望能够成功模拟出它的温度分布规律和速度梯度的规律。研究目标 v通过通过CFD前处理软件前处理软件建立基于建立基于变结构三维流变结构三维流场热交换场热交换器的数值模型，然后在器的数值模型，然后在CFD软件软件中中计算以得计算以得到热交换到热交换器器变结构三维变结构三维流场的温度流场的温度分布图，速度分布图，速度矢量矢量图，还能得到温度变化曲图，还能得到温度变化曲线，速度变化曲线。线，速度变化曲线。研究内容 v三维变结构流场的热交换器三维变结

6、构流场的热交换器模型通过模型通过CFD前处理软件前处理软件的网格划分，的网格划分，CFD软件软件的计的计算后得到温度分布图，速度算后得到温度分布图，速度矢量矢量图图。然后可。然后可以跟固定结构流场的模拟结果进行对比，从以跟固定结构流场的模拟结果进行对比，从而既能够掌握变结构流场模型的计算方法和而既能够掌握变结构流场模型的计算方法和技术，又能通过对比技术，又能通过对比得到实验想要的一些规得到实验想要的一些规律，以期对律，以期对热交换热交换器的改进设计能有一定的器的改进设计能有一定的指导意义。指导意义。拟解决的关键问题 v(1)三维变结构流场模型的建立和设置三维变结构流场模型的建立和设置；v(2)

7、网格的有效性；网格的有效性；v (3)边界条件的正确设置；边界条件的正确设置；v(4)CFD软件软件中求解参数的正确设置中求解参数的正确设置拟采取的研究方法、技术路线、试验拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析方案及其可行性分析可行性分析可行性分析试验方案试验方案技术路线技术路线方法方法可行性分析可行性分析试验方案试验方案技术路线技术路线方法方法 研究方法研究方法 在三维固定结构流场模型的基础上在三维固定结构流场模型的基础上通过通过CFDCFD前处理软件前处理软件建立建立热交换器的变结构流场热交换器的变结构流场模型，分别模型，分别在在CFDCFD软件中软件中进行计算进行计算求解求解

8、得到得到流场流场温度分布图，速度温度分布图，速度矢量矢量图或者曲线。然图或者曲线。然后后跟固定流场模型的计算结果跟固定流场模型的计算结果进行对比，从进行对比，从而找到规律性的东西而找到规律性的东西。技术路线技术路线（1 1）通过）通过CFDCFD前处理软件前处理软件建立建立热交热交换器的三维变结构流场换器的三维变结构流场模型，模型，设置设置正确的边界条件并正确的边界条件并划分网格划分网格（2 2）在）在CFDCFD软件软件中设置参数并迭代中设置参数并迭代计算计算（3 3）CFDCFD软件软件中后处理得到温度中后处理得到温度分分布图布图以及速度以及速度矢量矢量图和曲线图和曲线计算机实验方案计算机

9、实验方案 (1)(1)通过掌握固定结构三维流场模通过掌握固定结构三维流场模型建立以及计算的方法技术，逐步探型建立以及计算的方法技术，逐步探索并正确建立三维变结构流场模型索并正确建立三维变结构流场模型 (2) (2)在在CFDCFD软件软件中设置中设置各项各项参数进行参数进行迭代计算直至收敛。迭代计算直至收敛。 (3) (3)后处理中将得到的后处理中将得到的变结构流场变结构流场的的温度分布图，速度温度分布图，速度矢量矢量图图和固定结和固定结构流场模型的计算结果构流场模型的计算结果进行比较，最进行比较，最后得出相应的结论。后得出相应的结论。 此次课题主要的难点在于三维此次课题主要的难点在于三维变结构流场模型的建立以及其网格变结构流场模型的建立以及其网格划分，还有其是否能够顺利迭代计划分，还有其是否能够顺利迭代计算直至收敛。算直至收敛。 但基于课题组积累的关于但基于课题组积累的关于CFDCFD软软件模拟这方面的成绩和经验，指导件模拟这方面的成绩和经验，指导老师李旭东教授和我们课题组都有老师李旭东教授和我们课题组都有这个信心，能够成功建立其模型，这个信心，能够成功建立其模型，并能顺利求解得到模拟结果。并能顺利求解得到模拟结果。已有的研究工作成绩已有的研究工作成绩继承了师兄们在前面做的三