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1、毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 丁鹤亮 学 号：0702050210 专 业： 热能与动力工程 设计(论文)题目： 超声波在换热器内传播特性的 数值研究 指导教师： 张艾萍 教授 2011年 3 月 10 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在系审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直
2、接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2002年4月26日”或“2002-04-26”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述换热器即所说的实现冷热流体热量交换的设备1。在化工、炼油、电力、能源等工业领域中，换热器有着广泛的应用，其工作效率对能源的利用率有着重要的影响。然而在换热器的运行过程
3、中会出现污垢不可避免的沉淀在表面上，不仅造成经济损失，据统计，仅2000年一年污垢带来的就有28.1亿元的损失，严重的还会损坏设备引发事故2，3，4。换热器内的污垢一般依附在换热表面上，它是热的不良导体，其导热系数还不到主要以碳钢制造的换热表面材料的110。传热率很低的污垢的积聚必将导致热阻增加，换热效率降低，相应的压力就增大，泵功率增加。随着这种现象的存在，换热器除防垢的各种方法也得到重视。在防垢方面主要有化学方法（包括酸处理法、软化法、炭化稳定法及添加阻垢剂法等）和物理方法（包括电、磁场防垢方法、晶体技术以及超声波防垢方法等）。在除垢方面，广泛运用的是化学清洗法和机械处理法5。作为上述其中
4、的一种方法，超声波除防垢技术是新一代高科技技术，主要依靠其空化效应、活化效应、剪切效应以及抑制效应达到除防垢技术。在防垢方面，超声波利用在液体中产生的空化作用和活化作用等，使硬度盐微粒在成垢条件下只能析出疏松粉末状够物，不再沉积；另一方面分解水分子使水的容垢能力增强，以达到抑制成垢的目的。在除垢方面，设备通过超声波的空化效应，活化效应，剪切效应等，作用于换热管道内壁的污垢层，导致污垢层产生疲劳、松脱，最终达到除垢效果6。由于它是一种低能耗高效率的技术，成本低、环境友好、操作方便，所以对超声波运用于换热器除防垢方面的研究、开发、广泛运用有着其必要性。在超声波这项技术的各种机理中，空化效应是其发挥
5、防除垢效果的主要作用机理。超声波的空化效应是当功率超声波作用于液体时，于液体中引起的一种特有的物理过程，是一个复杂的非线性声学问题。他是这样产生的：液体分子在声压作用下振动，分子间距被拉伸，当声压超过一定临界值时，存在于液体中的微小气核将急速膨胀，继而突然闭合，最终崩溃，在气泡崩溃时产生相当大的能量和冲击波，这种微小气核在超声作用下的一系列动力学过程，及其伴随的物理化学作用称超声波的空化效应7。空化效应的研究涉及到声学、传热学、流体力学等许多学科，人们发现这种效应并对其的研究已经有很长一段历史了，然而现在还是存在着诸如空化强度测量和表征方法问题等等的问题。在实际应用中，超声波的空化效应和其机械
6、效应，热效应等是相互影响的，难以剥离出来进行研究。然而空化效应所引发的很多现象有着自身很独特的性质，抓住其特性进行理论和模拟分析可预测其实际应用成果。因此空化效应的研究在超声波应用中具有很重要的理论价值和应用潜力，在这些年来成为了物理学及超声波应用技术研究中的一个重大热点。前人证实，在实际应用中，超声波空化现象受到流场参数、声场参数、运行环境等诸多条件影响，与之相关的许多物理量都对超声空化过程中的成核、空化泡振动、成长直至崩溃过程产生影响。但是对影响程度的分析缺乏有效的衡量手段，对超声空化效应与强化传热的相关研究也相对较少8。所以有必要认知和继续研究。随着现代工业科技的发展，国内外学者对超声波
7、空化强化传热技术的开发研究已经拓展到电力生产、化工过程、采矿以及冶金等工业领域。日本、德国及美国等一些国家出产的很多相关除垢设备已经在实际应用中展示出了优越性和可靠性，并且在进行发展成熟中。德国的Schmucker验证了在低压蒸汽锅炉中使用功率超声波可以很有效地防止污垢发生9。近年来，针对超声波空化的研究已经被国内外专家学者所重视，每年国际上都有相关的新观点和新理论不断提出。Rayleigh致力于空化理论研究,于1917年发表了题为“液体中求型空腔崩溃时产生的压力”的研究论文,对空化现象发生的理论研究做出了重大突破,奠定了数十年来所有有关空化研究的理论基础,也为超声波空化机理的研究提供了基本的
8、理论准备10.近年来我国在超声波防除垢技术及其空化效应研究方面也取得了长足的发展。中国石油大学的张建国等对于流体动力式声波进行了防垢实验，研究表明，超声波的防垢效果是明显的，防垢率至少能达到85%，高于一般使用的化学防垢方法，如优化运行条件后还能增进效果。福建三明的念保义等人针对超声空化机理以及影响超声波空化的各项参数进行了实验研究，对空化效应在超声波除垢中所起的作用进行了探索9.内目前对超声波防除垢设备的使用效果研究比较多，所研究的应用范围主要针对油田，化工等行业，而针对完全以水为换热介质的换热系统的抗垢强化传热和空化效应研究还很缺乏，对于超声波各项参数与超声空化效应的关系，以及换热器运行特
9、性对超声波空化效应的影响缺乏深入研究，而且现有的对超声波空化效应的研究多数使用单一进行实验的方法。在实验的验证下模拟分析超声波空化机理，深入研究流体中的超声空化反应状态以及各项因素对超声波空化效果的影响，并建立超声空化的理论模型，对超声波使用效率的提高有着重要的意义8。本文旨在通过对超声波空化效应的研究与分析来深入超声波在换热器管道中的传播特性。参考文献1韦钢,张永健.电力工程概论.北京:中国电力出版社,2009.16172杨善让,徐志明.换热设备的污垢与对策.北京:科学出版社,2004.343徐志明,杨善让.电站凝汽器污垢费用估算.中国动力工程学报,2005,Vol.25(1):102106
10、4贺香英.污垢对换热器管内场协同影响的数值研究：硕士学位论文.吉林：东北电力大学.2010，135孙晓清.超声波防垢的流动液体运行参数和管道参数实验研究:硕士学位论文.西安：陕西师范大学。2007,576黄玲,曹钢.超声波管道防垢器在空气压缩机级间冷却器中的应用.中外能源,2008,89927李争彩，林书玉.超声空化影响因素的数值模拟研究。陕西师范大学学报，2008，Vol.36.(1):36418超声波空化效应机理的数值分析和实验模拟：硕士学位论文.吉林：东北电力大学.9全贞花,马重芳,陈永昌.超声波抗垢强化传热技术的研究发展.应用声学,2006,616410孙冰.基于FLUENT软件的超声
11、数值模拟:硕士学位论文.大连:大连海事大学,2008,130 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1. 本课题要研究和解决的问题1）需要掌握换热器结构，工作原理和换热器管道内结垢机理以及换热器的除垢方法和超声波防垢机理。2）探究超声波的空化效应机理。针对超声波在液体中传播时对液体分子的作用，以及液体中空化核的产生和发展状态进行研究，得出超声空化泡的初生条件，生长状态和溃灭时间，以及空化泡内的能量变化。3）对换热器管道内的超声波空化效应进行数值模拟。以实际管道为参照，建立数值模型，模拟管道内压力，气含率的分布及变化趋势，并以某一点的压力和气含
12、率变化研究管道内液体在超声波作用下空化状态。4）更改初始条件，模拟不同超声波功率频率不同温度（饱和蒸汽压）不同不可压缩气体质量分数以及不同不同结构形状下空化状态，研究这些因素对空化效应的影响。2.拟采用的研究手段 1）.对超声空化效应的产生机理进行研究。推究流体中空化核的存在及运动状态，从空泡内外压强入手推导出超声空化阈值公式，使用他进一步来推导其他空化效应的参数。通过研究液体中空化核，空化阈值，不同空泡的空化效应分类以及空化核的生长和溃灭，为下一步研究的数值模拟的数值模型建立理论基础。 2）.采用计算流体力学软件FLUENT,使用各种模型模拟垂直安装超声波除垢装置的换热器圆管内的超声空化流场
13、特性。用加入超声波作用后管道内压力和气含率的变化来衡量空化反应状态。本课题将模拟超声波作用下，换热管道内空化流场的特性以及压强与气含率的变化规律为超声空化实际应用提供基础的理论依据.3.工作进度安排2月28日3月10日阅读文献熟悉课题，写文献综述和开题报告3月11日4月30日掌握软件的应用，进行超声波在圆管中传播过程的模拟计算5月1日5月20日进行超声波在典型强化管中传播特性模拟5月21日6月20日进行模拟数值处理得到换热器结构对声波传播规律的影响. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：文献阅读较广泛全面，基本反映了本课题目前的现状和发展趋势。2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：本课题的深度适中，基本涵盖热能工程专业所学内容，工作量适中，本课题完成后可以得到超声波在换热器内传播的衰减特性，以及换热器运行参数和超声波参数对其影响的规律。 指导教师： 张艾萍 2011 年 4 月 11 日所在学院（系）审查意见： 负责人： 年 月 日
