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[优秀毕业设计精品] 基于有限元的水平圆管道外空气自然对流的数学模型设计.doc[优秀毕业设计精品] 基于有限元的水平圆管道外空气自然对流的数学模型设计.doc -- 6 元

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毕业论文设计11绪论1.1引言自然界和工程技术问题中存在着大量因为温度差引起的密度差异,最终导致流体发生运动的现象,大到影响整个地球环境和气候变迁的大气层环流,海洋中的洋流,小到生活中每天用的电冰箱的冷却器,冬季采暖的散热器,以及工业上许多未加强迫流动措施的散热装置,像电力变压器,架空热力管道和输电线,以及大量电子元器件的肋片式散热器,电厂内的蒸汽管道,换热站的换热器,以及在锅炉的空气预热器中,等等。某些场合,自然对流散热可能成为能否保证设备安全的关键因素,更重要的是,在某些场合,自然对流换热可能成为保证人身设备安全的关键因素,例如核反应堆的失水事故始终是对人员和设备安全最重要的潜在威胁之一,要保证绝对安全,就必须做到即使在满负荷情况下突然停泵,没有冷剂补充也不执行任何人工操作,靠一回路流体的自然对流也能把堆芯的剩余衰变热量带出来,使堆芯不致出现过热。在没有强制的流动速度而流体内仍存在对流流动的情况,这种情况称之为自由运动或自然对流。因为自然对流牟流速一般远小于强迫对流的相应的速度,相应的对流传递速率也小,这也许会使人们认为自然对流过程不大重要。其实应消除这种误解,在许多含有多种传热效应的系统中,自然对流引起的传热热阻最大,并且在一些工程应用上还必需用自然对流而非强迫对流,比如空气中的输电线,而且自然对流不用投入一些动力,而是流体本身密度差引起的,所以可以降低运行费用。自然对流有很多用途,它在很大程度上影响管道,输电线路以及各种电子设备上的散热,自然对流都很重要的,自然对流也与环境科学有关,在环境科学中自然对流引起海洋和大气运动,并影响与之有关的热量交换和质量交换过程。1.2对流传热的定义及分类1.2.1对流传热的定义热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷,热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅发生在流体中,而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动,因而对流必然伴随有热传导现象。工程上特别感兴趣的是流体流过物体表面是流体与物体表面之间的热量传递过程,并称之为对流传热1。毕业论文设计2流体流过固体表面时流体与固体间的热量交换称为对流传热。对流传热的换热量用牛顿冷却公式计算。对单位面积有thq(11)其中h为表面传热系数,△t为壁面温度和流体温度的温度差,q为热流密度,单位是w/m2k。对于面积为A的接触面mtAh(12)其中h为对流传热表面传热系数,△tm为换热面A上流体与固体表面的平均温度差。工程计算中无论流体被冷却还是被加热,化热量总是取正值,因此△t及△tm也取正值。表面传热系数的大小与对流传热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状,大小与布置,而且还与流速有密切的关系。在表11中给出了几种对流传热过程表面传热系数数值的大致范围1。表11对流传热表面传热系数的大致范围过程h/W/m2K自然对流空气1~10水200~1000强制对流气体20~100高压水蒸气500~35000水1000~1500水的相变换热沸腾2500~35000蒸气凝结5000~250001.2.2对流传热的分类对流传热现象可以分为有相变与无相变的对流传热。在有相变对流传热中可分为沸腾传热和凝结传热。沸腾传热可以分为大容器沸腾传热和管内沸腾传热。凝结传热可分为管外凝结传热和管内凝结传热。在无相变的对流传热中可分为混合对流、强制对流与自然对流。强制对流可分为内部流动传热与外部流动传热。自然对流传热可分为大空间自然对流传热和有限空间自然对流。1.3研究对流传热的意义求解对流传热问题的工程目的,是要得出对流换热表面传热系数的计算规毕业论文设计3律。为了得出,关键是要获得流体中的温度分布。因而从传热学的基本原理来说求解导热与对流传热问题的实质都是要获得物体中的温度场。只是对于对流传热,由于理论求解是用非线性偏微分方程,其难度很大,因此主要采用实验测定的方法。而封闭空腔内的自然对流换热是数值传热学里的经典课题,这种流动属于作用密度梯度上的体积力引起的一种浮力诱发运动,而密度梯度本身又因为流体里的质量浓度梯度与温度梯度或二者之一所引起,其所描述的现象在许多工程实践中都能遇到,因此精确分析各种条件下的封闭空腔内的自然对流换热问题具有重要的实用价值2。1.4对流传热的影响因素影响对流传热的因素就是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素。这些因素归纳起来可以分为以下五个方面。(1)流体有无相变在流体没有相变时传热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现的,而在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结),流体相变热(前热)的释放或吸收常常起主要作用,因而传热规律与无相变时不同。(2)流体的流动状态流体力学的研究已经查明,粘性流体存在两种不同的流态层流和湍流,层流时流体微团沿着主流方向作规则的分层流动,而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合,因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流时强烈。(3)换热表面的几何因素这里的几何因素指的是换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向相对位置以及换热表面的状态(光滑或粗糙),例如图11A所示的馆内强制对流流动与流体横掠圆管的强制对流流动是截然不同的。前一种是管内流动,属于所谓内部流动的范围后一种是外掠物体流动,属于所谓外部流动的范围。这两种不同流动条件下的换热规律必然是不相同的。在自然对流领域里,不仅几何形状,几何布置对流动赤有决定性影响,例如图11B所示的水平壁,热面朝上散热的流动与热面朝下散热的流动就截然不同,它们的换热规律也是不一样的1。毕业论文设计4(A)(B)图11几何因素的影响(4)流体的物理性质流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。以无相变的强制对流传热为例,流体的密度ρ、动力粘度Π、导热系数λ以及比定压热容Cp等都会影响流体中速度的分布及热量的传递。因而影响对流传热。
编号:201311202100427908    大小:2.84MB    格式:DOC    上传时间:2013-11-20
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zhuanyunshi上传于2013-11-20

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