环境条件下旋转圆板散热Fluent模拟 毕业论文.doc
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1、 本科毕业论环境条件下旋转圆板散热Fluent模拟专 业 姓 名 指导教师 评 阅 人 2013年5月中国 常州BACHELORS DEGREE THESISOF HOHAI UNIVERSITYThe Thermal Simulation Of Rotating Circular Plate With FluentOn Environmental ConditionsCollege :Mechanical and Electrical EngineeringSubject :Thermal and Power EngineeringName : Directed by :CHANGZHOU
2、CHINA郑 重 声 明本人呈交的毕业设计(论文),是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本设计(论文)所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本设计(论文)的知识产权归属于培养单位。本人签名: 日期: 摘要本文主要介绍了用计算流体力学理论研究旋转板散热特性的方法,根据传热学的理论,针对旋转板建立了三维温度场的数值模拟模型,给出了模拟域内的边界条件,并运用流体动力学软件FLUENT对旋转板散热问题的三维流场进行了数值模拟,考察了在旋转板
3、表面温度为70、无内热源和空气温度为30的情况下,转速分别为1500r/min和2000r/min时周围空气场的温度分布,通过不同转速之间的相互对比分析,得出了旋转板散热情况随转速改变的趋势,以及转速对散热效果的影响。具体步骤分为五个部分:第一部分选取离心泵案例来熟悉一下使网格旋转的方法,为接下来的计算做准备;第二部分建立旋转板的几何模型、传热模型以及用GAMBIT软件建立旋转板温度模拟的计算模型和对模型进行网格的划分,并定义好各边界;第三部分运用FLUENT软件对已划分好网格的GAMBIT模型进行分析计算得出迭代残差;第四部分分析计算结果,观察局部、全局的温度和压力云图,通过对两种转速下的温
4、度、压力云图的对比以及两种转速下流量和总的传热功率的关系的对比得出转速对旋转板散热效果的影响趋势1820;第五部分对模拟好的结果进行总结和展望。关键字:旋转板、散热、三维流场、动网格、模拟仿真ABSTRACTThis paper introduces the method that it used computational fluid dynamics theory to study heat dissipation properties of rotating plate. According to the theory of heat transfer , it set up a 3D
5、temperature field about rotating plate for numerical simulation model, gave boundary conditions in the analog domain, and used the fluid dynamics software FLUENT to simulate the problem of rotating plate heat transfer . When the surface temperature is 70 , it had no the internal heat source , and th
6、e air temperature was 30 ,it examined the temperature distribution of air field at the speed of 1500r/min and 2000r/min. Through the comparative analysis between different rotational speeds, it concluded the relationship between ratational speeds and heat transfer . The specific steps are divided in
7、to four parts: Firstly , in order to prepare for the next calculation , it selected the pump case to familiarize with the rotation of the mesh method Secondly , it used GAMBIT to set up and mesh the simulation model , and define the boundaries. Thirdly , it used FLUENT to calculate the meshed model.
8、fourthly, through observation of temperature and pressure contours and comparasion of different temperature and pressure contours at two speeds , it drew a conclusion about the relationship between rotational speed and heat transfer .Lastly , it descriped the summary and prospects.Keywords:rotating
9、plate;heat dissipation;three-dimensional flow field;dynamic mesh;simulation目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 本课题研究的背景11.2 我国电动机发展现状21.2 本课题研究的目的41.3 本课题研究的主要工作4第二章 计算流体力学及FLUENT简介52.1 计算流体动力学简介52.1.1 计算流体动力学概述52.1.2 计算流体动力学的工作步骤52.1.3 计算流体动力学特点62.1.4 计算流体动力学的应用领域72.1.5 CFD的求解过程82.2 FLUENT软件简介82.2.1 Fluent软件
10、的网格特性82.2.2 Fluent软件定义边界条件特性92.2.3 Fluent软件的灵活处理特性92.2.4 Fluent的程序结构92.2.5 Fluent程序可以求解的问题102.2.6 用Fluent程序求解问题的步骤11第三章 案例分析113.1 介绍113.2 问题描述113.3 利用gambit建立计算模型123.4 利用fluent软件对建好的模型进行数值模拟并绘制速度云图133.5 结果分析13第四章 模型建立及计算144.1 问题描述144.2 模型建立步骤144.2.1 建立几何模型144.2.2 建立传热模型154.2.3 利用GAMBIT建立计算模型164.2.4
11、利用GAMBIT对计算区域划分网格194.2.5 利用GAMBIT设置边界类型234.2.6 输出网格并保存会话264.3 利用FLUENT 3D求解器进行求解27第五章 计算结果后处理及结果分析395.1 旋转板温度、压力特性分析395.2 旋转板周围空气场的空气流量与总的传热功率的分析41第六章 结论和展望426.1 结论426.2 展望43参考文献44致谢4651第一章 绪论1.1 本课题研究的背景电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。常见的电动机可分为交流电动机和直流电动机。电动机是一种旋转式电动机器,它将电能转变为机械能,它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一
12、个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下,其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。电动机的使用和控制非常方便,具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力,能满足各种运行要求;电动机的工作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小。由于它的一系列优点,所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。这些机器中有些类型可作电动机用,也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动,这种电动机称为转子电动机;也有作直线运动的,称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大,从毫瓦级到千瓦级。机床、水泵、皮带机、风机
13、等需要电动机带动;电力机车、电梯,需要电动机牵引。家庭生活中的电扇、冰箱、洗衣机,甚至各种电动机玩具都离不开电动机。电动机已经应用在现代社会生活中的各个方面。电动机是随着生产力的发展而发展的,反过来,电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从19世纪末期起,电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机,一个多世纪以来,虽然电动机的基本结构变化不大,但是电动机的类型增加了许多,在运行性能,经济指标等方面也都有了很大的改进和提高,而且随着自动控制系统和计算机技术的发展,在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机,控制电动机具有高可靠性好精确度快速响应的特点,已成为电动机学科的一个
14、独立分支。在现代化工业生产过程中,为了实现各种生产工艺过程,需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转,可以采用气动,液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单调节性能好耗损小经济,能实现远距离控制和自动控制等一系列优点,因此大多数生产机械都采用电力拖动。按照电动机的种类不同,电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。纵观电力拖动的发展过程,交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前,直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式,19世纪末期,由于研制出了经济实用的交流电动机,致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用,但随着生产技术的发展,特别是精密机械加工与冶金工业
15、生产过程的进步,对电力拖动在起动,制动,正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的,更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求,所以20世纪以来,在可逆,可调速与高精度的拖动技术领域中,相当时期内几乎都是采用直流电力拖动,而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点,但是由于它具有电刷与换向器(又称整流子),使得他的故障率较高,电动机的使用环境也受到了限制(如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用),期电力等级,额定转速,单机容量的发展也受到了限制。所以,在20世纪60年代以后,随着电力电子技术的发展,半导体交流技术的交流技
16、术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来,大规模集成电路和计算机控制技术的发展,为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速,各种类型的变频调速,无换向器电动机调速等,使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽,稳态精度高,动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能,在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外,由于交流电力拖动具有调速性能优良,维修费用低等优点,将广泛应用于各个工业电气自动化领域中,并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流1。.随着电动机在各个行业的普及,对电动机的技术要求也相应的提高,其中就包括对电动机转子的散热的技术要求21。1.2 我国电动
17、机发展现状我国的电动机生产从1917年至今已有95年的历史,该行业在国内已经形成比较完整的产业体系。近年来,我国电动机制造行业随着电力发展呈现出勃勃生机,产销规模和经济效益都有了大幅度提高。据2013-2017年中国电动机制造行业供需状况与投资前景分析报告数据显示,2005-2011年,我国电动机制造行业销售收入年均增长36.92%。除了2009年受金融危机影响,制造业普遍下滑,电动机的同比增速下降到11.20%之外,其他年份,我国电动机的市场规模增长率均处于较高水平,同比均在20%以上,即使在2011年我国制造业发展速度普遍放缓的情况下,电动机的同比增长仍达到21.87%。前瞻网认为,电机制
18、造企业应建立自主品牌,发力高端,拓展海外市场,保障产品质量和售后服务,向航空、航海、军工、核电以及特种电机等新领域发展,才能在严峻的市场竞争中立于不败之地。在全社会电能消耗中,有70%左右耗费在工业领域,而工业电机的耗电量又占据整个工业领域用电的70%。提高电机效率可以主要通过2种方式,通过一个频率转换器,提高运作效率的交流电机;二是使用高效电机。不同的频率转换器是主要的工业领域的节能,节能效率一般在30%以上,在某些行业甚至高达40%-50%。高效电机的市场应用比例仍然相对较低,但最低能源效率标准和补贴政策的支持,未来高效电机的市场应用比例将大幅上升。2012年1-12月,我国累计出口电动机
19、及发电机30.96亿台,与2011年同期相比减少了8.2%,累计出口金额达92.24亿美元,同比增长5.0%。12月当月,我国电动机及发电机出口量为2.748亿台,出口金额为8.18亿美元。在投资上,应该在政策利好出台前提前布局。目前高效电机市场应用比例仍较低,但在最低能效标准及补贴政策支持下,未来高效电机的市场应用比例将大幅上升。电机系统包括控制装置、电动机、被拖动装置、传动装置以及管网负荷等,是一个涉及多学科、多专业、多领域的复杂系统。近年来,战略性新兴产业、合同能源管理政策、市场化节能环保服务体系建设、资源综合利用和再制造及节能产品惠民工程高效电机推广为电机行业发展带来重大机遇,与之相关
20、的电机生产制造商和电机配套企业也迎来了产品更新换代的市场增长潜力。特别是为适应低碳经济时代的节能技术创新趋势,高效电机已逐渐成为未来市场的主流。我国电机年用电量目前超过2万亿千瓦时,约占全国用电量的60%和工业用电量的80%。高效电机能耗比普通电机低20%30%,但我国高效电机现在市场占有率只有10%,因此大力推广高效电机会对国家推进节能减排具有一定意义,其潜在的市场商机也初现端倪。目前,我国电机产品虽然种类繁多,但效率普遍不高,严重存在大马拉小车的现象,高效电机的推广与应用已经刻不容缓。我国十二五期间将集中力量围绕电机系统节能工程、装备制造调整和振兴、新能源领域技术的大力推进,优化发展一批高
21、效节能环保重点产品,淘汰一批普通效率的电机产品,促进产品更新换代。在工信部公布的高耗能落后机电设备(产品)淘汰目录(第二批)中,电机设备位列其中,预示我国电机行业即将面临市场和科技的全新发展。为有效淘汰低效电机、加快高效电机的推广,国家标准化管理委员会发布的新版中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级国家标准于2012年9月实施,中小型电机行业面临较大的影响。目前我国大批量生产的Y、Y2、Y3系列三相异步电动机将被禁止生产,享受国家惠民工程的YX3系列高效率三相异步电动机将有可能不再得到政策补贴。高效电机的研发与推广犹如在弦之箭,行业内关注度空前。1.2 本课题研究的目的电动机转子的散热情况关
22、系到转子的寿命长短和电动机的运行安全与否,所以对电动机转子散热情况的研究是必不可少的。电动机的热源很复杂,包括定子绕组,转子绕组,定子铁心等几个主要部分。本课题研究的主要目的是得到转子转速与散热的关系,以及转速对散热效果的影响,从而对电动机的设计、优化及生产提供相关的技术支持21。1.3 本课题研究的主要工作本文将借助商业CFD软件FLUENT,完成对旋转板的三维流场数值模拟,并绘制处模拟的温度云图,并对其模拟结果进行分析研究,为今后设计和优化电动机转子提供新的研究手段及理论依据。本文主要工作如下:(1)介绍计算流体动力学;(2)对离心泵的案例进行分析;(2)将电动机转子简化成旋转板模型;(3
23、)运用Gambit软件创建旋转板的计算模型;(4)运用Gambit对模型进行空间网格划分;(5)利用FLUENT进行仿真计算;(6)对仿真结果进行分析。第二章 计算流体力学及FLUENT简介2.1 计算流体动力学简介2.1.1 计算流体动力学概述计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)是通过计算机数值计算和图象显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的的物理量的场,如加速场和压力场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起这些离散点上场变量之
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