（热能工程专业论文）振动圆管外强化传热机理及污垢生长特性研究.pdf

山东大学博士学位论文 摘要 振动强化传热因其良好的效果曾在2 0 世纪7 0 年代引起关注，但因难以在 换热器内实现振动而停止研究。随着技术的发展与进步，实现振动方法的拓展， 这一课题也在逐渐兴起。对振动表面上传热机理的研究具有理论指导意义与实 际应用价值。在强化传热的同时，不应忽略污垢阻碍强化传热的过程，因此有 必要对振动表面的污垢生长进行研究。场协同原理作为研究壁面对流换热的工 具，也应该在实践中不断得到扩充、检验与运用。本文对这三个方面中的问题 进行了分析和研究。 通过对场协同原理的分析，提出了换热面上场协同分析中算术平均协同 角、积分平均协同角及协同匹配系数的定义方法。用算术平均协同角衡量面上 温度梯度场与速度场夹角余弦平均值，用积分平均协同角衡量带有速度权的换 熟面上温度梯度场与速度场夹角余弦平均值。用协同匹配系数k 反映整个换 热面上场协同的匹配程度。定义了无量纲速度与无量纲协同角余弦，并根据无 量纲速度与无量纲余弦值的万一矿图表示面上各处的场协同匹配性能分布，根 据k 值分界线与匹配分界线分析面上场协同匹配性能。 对振动圆管表面流场与温度梯度场间的协同角、速度以及协同匹配性能进 行研究。在每一时相位处，圆面上的场协同性能分布具有明显的规律性，在面 相位0 。与1 8 0 0 附近协同性能最好，并向两侧逐渐递减。随着时相位移向平衡 位置，圆面上协同性能趋好的区域逐渐变大。在口= 0 0 附近，口= o o 处流体的 流动速度比口= 9 0 。附近流动速度低，圆面上的速度从口= 0 。到口= 9 0 0 的时间 内，圆面上各处的流动速度逐渐增大。在时相位4 0 。- - 6 0 。附近面上速度基 本均匀，之后从口= 0 。到口= 9 0 0 区域内速度逐渐减小，此时圆面上的积分协同 角面均值小于算术协同角面均值，圆面上的场协同性能与匹配性能均趋好，直 到圆面上的积分协同角面均值大于算术协同角面均值后，圆面上的场协同性能 与匹配性能趋差，并在时相位1 8 0 。上基本恢复到0 = 0 0 时的状态。 对面上各处流动的协同角时均值，速度时均值与对流换热系数在圆面上的 分布进行了分析。换热面上的协同角余弦时均值与速度时均值决定了面上对流 换热系数的分布，在面相位0 。与1 8 0 。附近的对流换热系数最大，然后向两 摘要 侧逐渐递减。协同角余弦的面均值，速度面均值的乘积决定了对流换热系数面 均值的变化趋势。在时相位9 0 。附近的对流换热系数最大，然后向两侧递减。 对振动圆管外总的场协同性能进行了统计，在本文计算范围内，算术平均 协同角在4 7 。- - 6 6 。之间，换热面上总的场协同性能很好。面上的总积分平 均协同角小于总算术平均协同角，说明振动能够提高换热面上的协同匹配性 能。在边界层外场协同性能改善的同时，振动频率的增加对改善边界层厚度有 明显的作用。 对振动圆管外的流体特性进行了分析，指出抑制贴壁流路，提高场协同性 能的方法，将圆管上下部添加肋片增加贴壁流动的流阻，从而降低其流速，改 变部分流体流动方向与壁面的夹角，改变流动特性使场协同性能提高。对改进 方法进行数值验证，结果证明肋片的加入提高了圆管外流动的夹角余弦平均值 与速度平均值，从而提高了管外对流换热系数。肋片高度与肋片上方回流区高 度的总和是肋能够影响管外场协同性能的有效高度。 建立振动强化传热实验台测量了振动圆管外的对流换热随振动参数的变 化，在相同振幅下，对流换热随频率的增加而增强，并在某一转折点处出现对 流换热系数迅速增大的现象，且随着振幅的降低，出现这一转折点的频率会逐 渐升高。实验发现振幅对强化传热也起到一定的改善作用。拟合了实验条件下 振动圆管外对流换热与相关参数的公式，并得出相同振动r e 。数下高频的振动 更有利于强化传热的结论。 实验研究了振动圆管外的污垢生长过程，发现在相同热流密度下。振动能 够大大降低圆管表面污垢热阻渐近值，污垢热阻渐近值降低的程度与振动r e ， 数呈负指数关系。分析指出振动圆管外剪应力增加、污垢结构不同、硬度不均 匀等是形成污垢有序凹凸的主要原因。 通过对渐近线型污垢生长过程的分析，提出稳态热阻法测量污垢热阻时间 常数和渐近值的改进方法，指出污垢时间常数反比于两次测量得到的污垢生长 速率比值的对数，正比与两次测量时间的间隔。污垢热阻渐近值可以通过第二 次测量的污垢热阻，污垢生长速度以及首次测量的污垢生长速度表示。使用此 方法可以在短时间内获得渐近线型污垢的时间常数和热阻渐近值。 关键词：振动强化传热场协同污垢测量方法 i i 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i n ge n h a n c eh e a tt r a n s f e rw a ga t t e n t i o n e di n7 0 sl a s tc e n t u r y , c o m p a n i e d w i t ht h ed e v e l o pa n dp r o g r e s so ft e c h n o l o g i e s ，t h et i t l ea r em e n t i o n i n gm o r ea n d m o r e t h er e s e a r c hi nh e a tt r a n s f o rm e c h a n i s mo fv i b r m i n gs u r f a c ew o u l db ea t h e o r yt od i r e c tt h ep r a c t i c e t h ef o u l i n gc a nb l o c kh e a tt r a n s f e rp r o g r e s sa n dc a n n o tb en e g l e c t i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h ef o u l i n gd e v e l o p m e n to nt h ev i b r a t i n g s u r f a c e t h es y n e r g i s mt h e o r yi sab a s i ct o o lt or e s e a r c hh e a ta n dm a s st r a n s f e r , a n di ts h o u l db ee x p a n d e d ，i n s p e c t e da n du t i l i z e d e f f e c to ft h em a i nf l u i dt ob o u n d a r yl a y e ra n dh e a tt r a n s f e rw a sd i s c u s s e du s i n g l a g r a n g em e t h o d i nt u r b u l e n tf l o w , v e l o c i t ya n da n g l ed e c i d et h ed e p t ht h a tt h e p a r t i c l ee n t e r st h eb o u n d a r yl a y e r , a n dt h e ni n f l u e n c et h eh e a tt r a n s f e ro f t h a ta n d s u r f a c e t h eh e a tt r a n s f e ro fb o u n d a r yl a y e rc a nb er e a l i z e db yt h em a i nf l o w v e l o c i t ya n dt h ea n g l ew i t ht h es u r f a c en o r m a ll i n e ( s n l ) a v e r a g es y n e r g i s ma n g l e ( a s a ) a n dt h ei n t e g r a ls y n e r g i s ma n g l e ( i s a ) a r e d e f i n e di na r t i c l e t h ea s ac a nb e u s e dw h i l ev a l u et h ea r i t h m e t i ca v e r a g ec o s i n e t h a tt h eb e t w e e nt h ev e l o c i t ya n ds n l ，a n dt h ei s ac a nb eu s e dw h i l ev a l u et h e w e i g h t i n ga v e r a g ec o s i n et h a tb e t w e e nt h ev e l o c i t ya n ds n l ，i n w h i c hv e l o c i t ya s t h ew e i g h t i n g t h es y n e r g i s mm a t c hc o e f f i c i e n tki sar a t i ob e t w e e nt h ec o s i n e i s aa n dc o s i n ea s a ，a n di td e c i d et h em a t c h i n go f v e l o c i t ya n di t sa n g l e sb e t w e e n v e l o c i t ya n ds n l w h i l ek it h es y n e r g i s mm a t c h i n gp e r f o r m a n c e ( s m p ) i sw e l l ， a n do nt h ec o n t r a r yi sb a d d i m e n s i o n l e s sa n g l e sc o n s i n e ( d a c ) a n dd i m e n s i o n l e s sv e l o c i t y ( d v ) a r e d e f i n e di nt h i sa r t i c l e a n dt h em a t c h i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef l u i df l o wc a nb e s h o w e di nt h ed a c - d vd i s t r i b u t i o nf i g u r e t h ekd i v i d i n gl i n e ( k d l 、i su s e f u li n m e a s u r et h em a t c h i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep o i n t i fap o i n ti n s i d et h ek d li t sk i ， w h i l eo u t s i d et h ek d li t sk 1 时，振动对传热的影响 上面的诸多文献结论表明振动强化传热的研究仍存在较多的分歧和未能 充分确定的领域，诸多文献在振动影响对流换热的趋势上出现了差异，由于众 多学者的研究采用的工质不同，可比性较差，笔者认为目前难以对其作出规律 性的判断，仍需要进一步的研究。 孟恒辉【3 6 】等对振动表面自然对流的换热特性进行了实验研究，采用电铃谐 振器作为加热膜的激振源，并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量。结 果表明振动对自然对流的强化可提高9 0 7 。在等热流密度条件下，振动能量 越大，换热越好；在等振动能量条件下，热流密度越小，强化换热的效果越强。 俞接成 3 7 1 等以空气为介质，运用f l u e n t 的动态网格技术，对空气低速绕流 振动圆柱的对流换热进行了研究，数值计算表明在其文献的计算范围内，壁面 振动可使换热强化，最大可强化9 倍，换热的强化随振幅和频率的增大而增大。 场协同分析表明，圆柱振动强化换热的原因在于速度场和温度梯度场之间的协 同程度得到了改善。在相同的振动条件( 振动频率和振幅) 下，雷诺数越低，振 动对换热的强化效果越好。圆柱振动强化换热的原因是圆柱振动使速度场和温 度梯度场之间的协同程度得到改善，从而使换热得到强化。 阎广武、刘艳红等【3 s 】提出了一种用于模拟圆柱绕流的振荡边界层流动的旋 转系统平均法。该系综由一些相同的系统组成，每个系统除使用不同的网格外， 第一章绪论 具有相同的流动。经模拟圆柱绕流的振荡边界层发现，流体质点的流动具有平 行于振荡方向离开圆柱、竖直于振荡方向流向圆柱的特点，同时也发现在紧邻 圆柱出现的被称为二次流的4 个涡旋流动现象。 图1 2 当4 屯 1 时，振动对传热的影响 图1 3 表面振动对强迫对流换热的影响 w u s h u n g f u 3 9 1 等对用数值方法模拟了流体横掠圆管的流场结构与对流换 热特征。使用拉格朗日一欧拉运动学方法并考虑了流体与圆管间的运动边界问 题，结果显示振动圆柱与漩涡脱落的之间在某范围内存在相互作用，流场与温 4 山东大学博士学位论文 度场存在周期性的锁定现象，圆柱表面的对流换热在锁定出现后显著增强。 y o n g h o l e e 等【4 0 】对流动诱导振动( f i v ) 与临界热流( c h f ) 之间的关系使用竖 直圆柱在空气中进行了实验研究，发现以振动雷诺数为参照标准，振动能够使 临界热流增强1 2 6 ，c h e 增强的原因是振动加强了空气介质与圆柱体上液膜 之间的物质交换。并基于实验数据给处了预测c h f 增强比率的实验关系式，指 出振动在能够强化传热的同时，也能显著提高临界热流密度。 t a i t s h e r m a n p o t t e b a u m v “】等实验研究了横向振动圆柱对传热的影响，测量 了多个振幅和频率下的对流换热系数。发现对流换热的增强和漩涡自然脱落频 率的协调，圆柱的激活状态( w a k e - m o d e ) ，圆柱横向振动的速度等相关。并使 用数字粒子测温测速( d p i t ) 进行了测量了近激活状态的速度场与温度场。 1 3 污垢研究的发展过程及现状 学界对强化传热采取的措施可能随着换热设备的运行逐渐变差，这是因为 换热器内传热表面上出现的积垢使热力设备的传热能力大幅度降低。污垢是热 的不良导体，采取强化传热措施后换热器内传热过程的传热系数一般较大，若 不及时处理壁面上生成的污垢，则壁面上的污垢热阻对传热会起到控制性的作 用。污垢恶化了换热器的传热性能，增加了原材料消耗；同时还会因为垢层的 增加而减少流通面积，导致流动阻力增加。传热表面污垢的聚集常常引起局部 过热而使元件的机械性能降低，引发事故。污垢的聚集也常常导致垢下腐蚀， 威胁设备的安全运行 4 2 1 。 与振动强化传热比较，人们对污垢的认识要早很多，在1 7 5 6 年就有了 l e i d e n f r o s t 关于加热面水滴蒸发后留下沉积物的观察报告【4 3 】。本世纪3 0 年代s i e d e r 提出了污垢系数的概念m ，此时仅是考虑污垢的影响并在传热过程中增加了相应 的热阻，以及设计热力设备时保留余量，1 9 4 1 年污垢系数列入了t e m a 标准 4 5 】， 但此时并未对污垢的抑制和消除采取措施并进行系统研究。但1 9 6 0 年美国传 热研究公司( h t r i ) 组织指导传热学各领域的研究工作时，便将污垢列为重 点研究领域之一【4 6 l ，而英国w i n f r i t h 原子能研究所也在1 9 6 9 年开始了污垢研 究计划。7 0 年代的石油危机，促使人们对污垢问题更加重视。第六届国际传 热大会( 1 9 7 8 年) 将污垢列为会议的主题之一1 4 1 1 。第一次国际污垢问题学术 会议【4 8 】在1 9 7 9 年召开。二年以后就这一问题举办了第二次国际学术会议。2 0 0 3 5 第一章绪论 年2 0 0 5 年连续两年e c i 也召开了有关污垢生成机理与对策研究的会议【4 9 1 。 污垢研究在8 0 年代以后基本上沿着三个方向发展：一是对污垢的形成过 程进行理论分析与实验研究，力图为换热设备的设计提供一个通用而又准确的 污垢预测模型【5 0 , 5 1 , 5 2 ；二是污垢监测技术的开发研究【5 3 】；三是污垢对策的研 究【5 ”。尽管学界在这三个方面做了很多工作，但从目前的境况看，彻底解决 污垢问题仍需要长时间的努力。 在污垢机理研究方面，由于污垢的形成是在动量、能量和质量传递同时存 在的多相流动中进行的，其过程复杂，涉及到传热学、流体力学、化学动力学、 胶体化学、统计力学和表面科学等不同学科的基础理论【5 5 1 ，诸多非线性因素 掺杂其中，而且是一项多学科交叉的工作，目前的研究状态离解决这一问题确 实还很遥远。 污垢预测模型的研究过程中，虽然不断有研究者提出新的污垢分析模型， 但由于污垢形成过程过于复杂、形成过程的微观机理还未得到完整的认识，因 此至今还没有一个能够普遍适用的模型，即使广为引用的k e m s e a t o n 模型也 只提供了污垢生长过程大致的数学描述，污垢形成过程的五个阶段中，对起始 和老化过程研究的很少，枫理不清，因而现有的污垢机理分析还不能考虑上述 两因素对整个形成过程的影响。近些年来，徐志明、杨善让【56 】重新定义了污 垢的诱导期。杨传芳等 5 7 】等提出了一个预测饱和水系统中碳酸钙析晶垢沉积 率预测模型。z h a o 和m u l l e r l 5 8 、v i s s e r 【5 9 1 、f o r s t e r 等 6 0 , 6 1 6 2 , 6 3 】、r o s m a n i n h o 等 6 4 1 、d a h l s t r o m 6 5 1 、o l g a 6 6 1 、y e b r a 6 7 1 、d a i 6 引、t i m o t 6 9 1 、k u k u l k a 7 0 1 等的研究 均发现表面特性，特别是表面能对污垢的形成过程有决定性影响，如 d l c ( d i a m o n dl i k ec a r b o n ) 涂层表面具有很长的诱导期【7 l 】。而刘天庆和王兴海 1 2 t 、剧金兰等【7 3 1 、邹海涛【7 4 l 、马学虎和任春生 7 5 1 的研究表明表面改性可以改 变表面能从而影响污垢生长过程。a l b e r t o 等人 7 6 , 7 7 , 7 8 贝q 探讨了模拟求解管式聚 合反应器中的污垢问题。程林7 9 】研究了一种复杂非线性传热元件的污垢特性。 h a s s o nd 等【8 们、b a n s a lb 等 s u 、k r a u s es s 2 】、m o nh 掣8 3 1 研究表明，表面温度 和流体流速对渐近值有重要影响，随着表面温度的升高，渐近值增大。b o l m e t m a n da u g u s t i nw t 洲、邢晓凯等嗍研究表明，不清洁液体的p h 值越大，渐近 污垢热阻越大。k r a u s es 跖j 研究表明渐近污垢热阻随浓度和温度的增大而增 大。 6 山东大学博士学位论文 在污垢的监测技术开发方面，自美国传热研究公司( h t r i ) 推出了第一 台污垢实验测量装置以来，伴随着计算机应用技术与测量技术的发展，污垢监 测与数据采集系统也越来越成熟。所有这些监测装置，基本都是通过污垢热阻 的测量来进行污垢监督，虽然污垢热阻来源于污垢，但不能直接反映污垢的状 态，因此这些监测信息也很难直接应用到机理研究上。 近年来随着人类科技水平的进步，光纤、红外线、超声波以及人工智能等 新技术不断应用到污垢的监测研究中【s 7 - 9 2 ，但这些技术和装置或仅局限于实 验室以及一些特殊对象的检测，或者测量机理和方法有待于迸一步的完善。因 此目前真正能够实现在线监测污垢的成熟技术还不是很多。 在污垢对策研究方面，主要工作是8 0 年代中期h t r i 和t e m a 合作，对 广泛应用的t e m a 污垢系数作了全面的检查、审订和补充，公布了新的t e m a 推荐值 9 3 】。但业界普遍感到，对于不同的换热器和流动介质而言，这些数值 仍然不能提供完善的信息。 目前在污垢对策的研究中，防垢技术进展最慢，除按照t e m a 标准在换 热器中预留冗余面积外，还未找到合理的解决方案；抑垢和除垢技术近二十年 来取得了巨大进展，邢晓凯等1 9 4 1 研究的电磁抗垢技术；俞秀民等 9 5 , 9 6 1 研究的 斜齿纽带自动清洗技术；杨善让等【9 7 1 研制了螺旋线型除垢强化器，首次将强 化传热技术和除垢技术结合实施。但在抑垢、除垢机理和策略方面的研究还不 够充分。 污垢研究经过几十年的努力，积累了许多有价值的资料与数据，对污垢形 成的过程有了基本的了解，一些运行参数对污垢进程的影响得到了初步的认 识。东北电力学院杨善让、徐志明出版了比较完善的一本关于污垢的中文著作 l ，说明面元s 上的速度分布不均匀，但协同角余弦大值的区域速 度比较大，实现了大速度矢量长度与大夹角余弦的匹配。继续改善场协同性能 的措施是提高低速区的余弦值处或者速度，二措施可分别使用或者同时使用。 1 9 第二章振动强化传热分析及场协同评价方法探索 高速区若不能继续提高速度或余弦值，则尽量维持现状。 若k 1 时面 上的匹配性能好，当k 1 ；当落在k 值分界线外侧时，数据点 的k a 的情况下， 可以认为圆管p 的运动近似为简谐运动，圆管p 的位移可以由曲柄a 的转角口 确定，可以用口表示圆管的位移，称为圆管的时相位。p 上任意一点在圆面上 的位置可以用面上的角度口确定，称为面相位。在口处，圆管壁面的法线方向 也为口，面相位口处流体的流动速度为圪，圪与壁面法线方向形成的夹角为 卢，卢即为假设条件下流动速度与壁面温度梯度的夹角。本文多以时相位 口= 0 0 到1 8 0 0 之间半个周期内的振动作为时间尺度上的考察对象，以面相位 口：0 0 到3 6 0 0 之间的数据作为空间尺度上的考察对象。时相位的平衡位置在 9 0 4 和2 7 0 。上，面相位的中心位置定义在0 。和1 8 0 。上。由简谐运动的规 律知，圆管在振动过程中的位移、速度与加速度分别表示为： 第三章流体横掠振动圆管传热的数值计算及场协同分析 p 图3 1 圆管作近似简谐振动示意图 工= 4 c 0 “口) = 爿c o s ( 国f ) v = 凼廊= - a 功s i n ( e ) = 一a c o s i n ( o ) t ) a = d v l d t = 4 2 c o s p ) = 一4 国2 c o s ( 研) ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 3 1 3 数学模型 i 模型简化与假设 在实际的物理模型与实验研究时，由于重力的作用与温差的存在，圆管表 面将产生自然对流，虽然增强了对流换热，但对于圆管外振动强化传热机理的 展示产生一定的障碍。为更好的展示振动强化传热的机理，数学模型中摒除了 重力和浮升力等对计算过程的影响，在建立数学模型前，对区域内的流动和换 热过程进行了假设和简化： a ) 流体为非压缩性的牛顿流体； b ) 在计算过程中，忽略重力，浮升力的影响； c ) 流体进i z l 速度为定值，出i z l 为溢流； d ) 振动壁面的运动为简谐振动，运动参数取决于壁面振动的频率和振幅； 本文的数学模型如图3 2 所示，圆管的直径为2 0 r a m ，振幅在5 0 m m 以 下。由于圆管的振幅不是很大，之前通过试算，在计算区域为2 0 0 m m 2 0 0 m m 范围时，固定壁面受到圆管振动的影响已经很小，数值计算的区域控制在此范 围内。 山东大学博士学位论文 速度入口 图3 2 研究问题的数学模型 2 控制方程n 呻1 在整个计算区域内，流体的运动遵循以下控制方程。 流体的连续性方程： 塑+ 塑：0 ( 3 4 ) 缸砂 流体的动量方程组： 其中，“，d 分别表示流体在x ，y 方向上的速度。 流体的能量方程： 品+ “塞+ 嗉= 口罄+ 争 。叫， 丽枷瓦仙石卸【_ + 矿 _ 0 以上各式中，v 为水的运动粘度，m 2 s ；p 为水的密度，k g m 3 ；口为水的 热扩散率，m 2 s 。 壁面附近的流体因为振动的影响，流动将处于湍流状态，故数值计算中采 用7 p , n gk - - 8 湍流模型。r n gk 一模型和标准缸模型很相似，但是有以下改 辫 第三章流体横掠振动圆管传熟的数值计算及场协同分析 进”：( 1 ) r n o 模型在方程中加了一个条件，有效的改善了精度。( 2 ) 考虑到 了湍流漩涡，提高了在这方面的精度。( 3 ) r n o 理论为湍流p r a n d t l 数提供了一 个解析公式，然而标准七模型使用的是用户提供的常数。( 4 ) 标准k - - 8 模型是 一种高雷诺数的模型，r n g 理论提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公 式。这些特点使得r n g 豇模型比标准肛模型在更广泛的流动中有更高的可信 度和精度。 r n gk 一方程： 嘉+ 杀汹扣南卜玎善j 埘t + 瓯一胪一+ & ( 3 - - 7 ) 刍+ 毒t ) = 参卜z 万针q 胁删屯p 譬母疋。q 式3 7 式3 8 中，q 是由层流速度梯度而产生的湍流动能，g 是由浮力而 产生的湍流动能，是由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，c i c 2 ，、c 3 。是常量，瓯和是k 方程和e 方程的湍流p r a n d t l 数，& 和最是用户 定义的常数。 3 2 边界条件与网格划分 1 入口边界条件 在本课题的计算中，计算区域入口水流采用速度入口条件，设定入口温度 为3 0 0 k ，水流的入口速度为o 0 2 m s 。中心振动圆管设定为恒壁温边界条件，壁 面温度3 2 0 k 。 湍流脉动动能k 在入口的时候，用以下公式可以计算得到： j | = 要0 。，) 2 ( 3 - - 9 ) 其中u a v g 为平均流动速度，i 为湍流强度； i = 0 1 6 ( r e ) 7 8 ( 3 1 0 ) 山东大学博士学位论文 三 湍流耗散率s = c ：按下式确定： s 5 q 子 ( 3 1 1 ) 其中：，= o 0 7 l ，三为入口段的特征长度。 2 出口边界条件：出口边界条件采用溢流出口条件。 3 壁面边界条件： 固定壁面上的流动边界条件设定为无滑移速度边界条件u = 0 ，温度分布 服从绝热边界条件，要f 。= o 。 d h 振动圆柱壁面上的边界条件：设定壁面的运动为简谐振动，运动特征如 3 1 2 节所述。壁面附近设为无滑移速度边界条件，设定壁面的温度为恒壁温 3 2 0 k 。 近壁面处理采用标准壁面函数法处理。 4 网格划分 通过数值模拟软件f l u e n t 中自带的g a m b i t 软件进行建模，构造模拟对象 的几何模型、划分网格和初步设置边界条件。虽然计算采用的物理模型比较简 单，但由于中心圆柱在计算过程中的不断运动，必须采用非结构化三角形网格 ( 图3 3 ) 与动网格技术进行处理，本文的网格划分如图3 3 所示。共有1 3 8 4 3 个面，2 1 0 7 2 个节点，分为7 2 2 9 个区域。圆管附近的网格经过不断加密，试 算到壁面的对流换热系数已经不随网格数的增加而变化时，将计算过程的时相 位步长递减到o 5 。，得到的数据亦不随步长的减小而变化，网格密度与时间 步长均达到了计算要求的精度。 在划分网格的过程中，第一个节点与壁面间的无量纲距离成满足 1 1 5 3 0 y ：2 0 0 4 0 0 条件。其中，j ，+ ：丛皇型，y 为第一个内节点到 壁面的实际距离【1 09 1 。 第三章流体横掠振动圆管传热的数值计算及场协同分析 图3 ，3 本文网格划分示意图 非结构化三角形 网格示意图 3 3 流体横掠振动圆管外对流换热及场协同分析 流体横掠振动圆管外的场协同分析基本可以从四个方面进行讨论：1