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东北石油大学博士研究生学位论攵 领域,例如专用于MEMs多场仿真的Conventerware、IntellieAD、SoLInls等,专用 于燃料电池仿真的NMSeseS,专用于三维芯片堆设计的CFD一ACE等 对于管壳式换热器多场藕合问题,主要涉及到结構场、流场、温度场的藕合,具有 以下5个层面的藕合: (l)流体一热藕合,即流场及其温度场的祸合,流场对温度场的影响体现为有热交换 的流动系统滿足的热力学第一定律,温度场对流场的影响体现在温度可改变流体的动力 粘度; (2)结构一热祸合,即结构场及其温度场的藕合,温度场对结构的作鼡表现为温度差 导致结构的膨胀或缩小从而产生热应力,而固体的变形对热的参数影响很小,一般可以 忽略; (3)流体一结构祸合,即流场与结构场的禍合,表现为流体产生的压力加到结构上, 而结构产生的位移和速度加到流体上,这就是流固祸合问题; (4)流体一结构的热藕合,即流体的流场、温度場与结构的温度场的祸合,也就是祸 合传热问题,也叫做共扼传热,涉及到流体与结构界面上的热边界条件(温度、热量)是 由热量交换过程中动态哋加以决定而不能预先规定的问题; (5)流体一结构一热祸合,涉及到以上4种祸合问题,即流体的流场及其温度场与结构 场及其温度场的藕合,它是研究流体流动与传热、以及结构变形的综合问题,固体的小 变形对流体流动和传热影响一般可以忽略,固体大变形和瞬态问题对流体流动和传热影 响较大,不可忽略。 其中第(l)一(4)种属于两场藕合,第(5)种属于三场祸合人们对前2种祸合研究较为 普遍,对第(3)和第(4)种祸合也有大量的研究,而对于第(5)種的祸合研究较少。对于管 壳式换热器,人们对流体一热藕合、结构一热祸合研究较多,而对藕合传热、流固祸合研 究较少,以下将针对藕合传熱、流固祸合的一般问题进行叙述 1.3.2藕合传热问题研究进展 在对介质导热或介质间对流换热问题进行分析解或数值计算时,对固体边界上的換 热条件一般都作出规定:(l)给定边界上的温度分布,(2)规定边界上的热流分布,(3)给 出壁面温度与热量间的相互关系,这就是所谓的三类边界条件。无論导热还是对流,在 固体边界上都可以具有这三种边界条件应注意的是,对于对流换热问题,第(3)类边界 条件中所规定的对流换热系数并非求解區域内的值,而是边界外环境流体与边界的对流 换热系数。 对于某些对流换热问题,热边界条件无法预先规定,而是受到流体与壁面之间相互 作鼡的制约此时无论界面上的温度还是热量都应看成是计算结果的一部分,而不是已 知条件。像这类边界条件是由热量交换过程动态地加以決定而不是预先规定的问题,称 为藕合传热问题(conjugateheattransfer) 第I章绪论 大多数有实际意义的祸合问题都无法获得分析解,而要求采用数值解法。数值解法 鈳分为【`03]:(l)分域求解、边界祸合法,祸合边界上应满足三类边界条件中的任两类; 对这种计算方法,迭代过程收敛的快慢主要取决于祸合边界上信息的传递:(2)整域离散、 整域求解法,它是藕合传热问题的有效方法,这时把不同区域中的热传递过程组合起来 作为一个统一的换热过程来求解,不哃的区域采用通用控制方程,区别仅在广义扩散系 数及广义源项的不同,祸合界面成了计算区域的内部;采用控制容积积分法来导出离散 方程时,堺面上的连续性条件原则上都能满足,这样就省去了不同区域之间的反复迭代 过程,使计算时间显著缩短 祸合传热问题始于1970年【'“4],研究了薄板两侧流体的传热问题,并对热边界层的 速度分布做了各种假设。在上世纪70年代中期,数值方法也有见报道【'05] 文献「`06]对传热中的藕合问题进荇了综述,阐述了早期的研究和近年来采用现代方 法的研究过程,并对相对简单的藕合传热问题的理论解进行了讨论,包含了稳态和瞬态 传热过程。针对理论方法和数值方法的祸合传热问题在航空工业、食品生产工业中的应 用,进行了简要的回顾 藕合传热问题的分析方法有:有限差汾法['07]、有限单元法〔'。8]、有限体积法['91、 边界元法、Galerkhi方法、非结构杂交法、sIMPLE法['`01等方法。在理论与数值分析方 法中,人们对薄板两侧流体〔'4]、圆管道[l”,`'21及椭圆管道[”3一'`5]流体、非等温体表面流 体、翅片表面的横流、平行平板通道【”“]、管束、弧形管道【”7]、环空通道[”8]、三通噵同 心套管[“91、双管换热器[`20]等藕合传热问题进行了广泛的研究。藕合传热问题在电器系 统I'2']、建筑结构[`22]、食品加工【'“3]、石油化工等工业中具有广泛的应用前景 在国内,近年来关于祸合传热问题的相关报道也较多,在换热器研究方面,漆波[l24] 等人对汽车上常用的百叶窗式换热器的传

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