过热器流动传热模拟与胀接接头流固耦合研究
过热器是船用蒸汽锅炉的重要部件，在船舶蒸汽动力装置中扮演着重要的角色。过热器烟气侧温度较高，过热蒸汽侧对流换热系数远远低于蒸发受热面的沸腾换热系数，换热条件十分恶劣。当个别支管热负荷较高，而管内蒸汽流量相对较低时，管内蒸汽温度居高，易引起超温爆管。同时，过热器中管束与集箱连接处的连接强度和密封性也是考察过热器安全性的重要指标。经过冷热循环后，胀接处受热应力影响，残余接触应力下降，密封性降低，容易发生渗漏。
上述工作特性使过热器成为船舶蒸汽动力装置中最薄弱的环节之一。本文以某船用锅炉过热器为研究对象，从基础理论出发，推导了针对Fluent软件的过热器模型简化原则；应用Fluent软件对过热器整体的流动和换热进行了模拟；应用大型有限元分析软件ANSYS对该过热器胀接部位进行了冷态胀接和流固耦合问题的模拟。主要内容包括：
1.从工程流体力学和传热学基础理论出发，推导得出针对过热器数值模拟的模型简化原则。认为在特定条件下，可将影响过器流动传热性能的因素归纳为nd2/D2、L/(√n1和v1dm/s1三个参数。依据上述三个参数，可对应用于Fluent数值模拟中的过热器实际模型进行简化。简化后的模型可在降低网格数量的同时，较准确的反映过热器的流动传热特性。
2.应用Fluent软件，对该过热器的额定工况与故障工况进行了模拟，得到了过热器在爆管和隔板倒塌故障中的传热与流动特性。针对过热器的工作特点，对过热器结构进行了优化设计。优化结构后，过热器可在保证主要参数不变的前提下，降低局部超温爆管的风险。
3.应用大型有限元分析软件ANSYS，对过热器的胀接过程进行了模拟。考察了12Cr1MoVg和1Cr19Ni11Nb管材与12Cr1MoVg管板的胀接特性。结果显示：两种材料的冷态胀接性能良好，可以满足胀接接头密封性和连接强度的要求。
4.在冷态胀接的基础上，对胀接接头进行了流固耦合分析，主要内容包括：循环温度载荷对接头部位的胀接特性及U型管弯头部位的影响、材料热膨胀系数对胀接特性的影响。根据模拟结果：12Cr1MoVg管材表现良好；由于管束与管板热膨胀系数不匹配，1Cr19Ni11Nb管材经历温度循环载荷后发生渗漏；当管束与管板的热膨胀系数偏差在一定范围内时，胀接接头经历循环温度载荷后，留有一定残余接触应力。
本文对以往的过热器数值模拟研究工作进行了一定的总结和扩展，并对后续锅炉过热器流固耦合问题的研究积累了经验。
过热器;简化原则;胀接特性;流固耦合
哈尔滨工程大学
硕士
热能工程
孙宝芝
2012
中文
U664.111
86
2013-04-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）