热能与动力工程专业(论文）.doc

江苏科技大学本科毕业设计(论文)本科毕业设计(论文)学 院 船舶与海洋工程学院 专 业 热能与动力工程专业 学生姓名 朱春雷 班级学号 0640201239 指导教师 张东辉 二零壹零年六月江苏科技大学本科毕业论文树状管路中流动换热特性分析Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in Fractal Tree-Like Structure摘 要树状分形结构是自然界中一种非常普遍的结构，具有很多的特有的运输特性。本文主要讨论了树状分形结构的流动换热特性。本文第二章主要是应用FLUENT软件模拟了Y型管内的流体流动状况。对于二级Y型管路，首先应用拉格朗日乘子法分析了不同流动状态下的最优几何参数。然后通过FLUENT软件，建立Y型管路的三维网格模型，并寻找出考虑局部损失时的最优几何参数。最后模拟了四级T型管路的流动状态。在论文第三章采用经验公式方法分析了N 级树状分形管路的流动换热特性，并与平行通道冷却系统进行了比较。得出下述结论： (1)在换热面积相同的前提下，树状分形管路的换热性能并非一定最优；(2)在总的传热量和传热系数都相等的前提下树状分形管路的泵功消耗低于平行通道冷却系统。本文为流体树状管路的优化和设计提供了有益的参考。关键词: 树状；分形；流动换热；最优参数；FLUENT.AbstractFractal tree-like structure is a very common structure in nature,. with many transport properties. This paper discusses the characteristics of flow and transfer in the fractal tree-like structure.The second chapter of this paper simulate the fluid flow of Y-shaped channels. ,using FLUENT. For the two Y-shaped channels, it discusses the geometric optimal parameters of different flows, through Lagranga multiplier method. Then, using FLUENT to establish three-dimensional grid of the Y-shaped channels. And find out the geometric optimal parameters, under local losing. Finally, we simulate the flow conditions in the four tubes.The third chapter of this paper analysis the flow and heat transfer characteristics of the N-level fractal tree-like channels. And comparing with parallel channels of cooling system, draw the following conclusions:(1) Under the premise of the same heat transfer area, the heat transfer performance of fractal tree-like channels is not necessarily the best;(2)Under the premise of the overall heat transfer and heat transfer coefficients are equal, the pump power of fractal tree-like channels is lower then the parallel channels cooling system.In this paper, the results can provide the useful reference for the channels design and optimal operation.Keywords: Tree-Like；Fractal；Fluid Flow and Heat Transfer；optimal parameter；FLUENT.目 录第一章 绪论-11.1 课题的背景与研究现状-11.2树状结构简介-21.3 本文主要研究的内容和目标-41.4 本文的主要工作-4第二章 树状管路的流动特性模拟-52.1 FLUENT软件简介-52.2 管内流动的一些基本概念-62.3 单管流动状况的计算验证-82.4 二级Y型管路几何要素优化-142.4.1层流流动状况-152.4.2 湍流光滑区-172.5 Y型树状管路的FLUENT模拟优化-172.5.1层流状态下的Y型管内流动-172.5.2 寻求最优的分岔角-232.5.3 FLUENT建立多级Y型模型-292.6 FLUENT建模分析四级T型树状管路内的流动特性-31第三章 树状分形结构水力特性及热力特性-343.1 T型树状管的换热特性分析-343.1.1微通道内的流动为层流-393.1.2 微通道内的流动为湍流（2000Re20000）-403.1.3 微通道内的流动为湍流（）-413.2 T型树状管路的水动力特性分析-423.2.1管内的流动时层流-453.2.2微通道内的流动为湍流（2000Re1时，说明分形通道热沉比平行通道热沉好，具有更高的换热率；反之，平行通道热沉比分形通道热沉好。而QF/QP值与各级努塞尔特数之比有关。各级努塞尔特数之比，则与微通道中的流动换热有关。对于微通道中的流动换热，其相似准则关系已有大量的研究。Choi(1991)推荐了下列关系：通道层流流动（Re2000）: （3-15）微通道湍流流动（2000Re20000）: （3-16） Yu(1995)推荐了下列关系：微通道湍流流动（6000Re20000）: （3-17）下面就以上述准则关系式估算各级努塞尔特数之比。对于第i级微通道，其努塞尔特数为：这里认为各级通道的普朗特尔数Pr相同。3.1.1、微通道内的流动为层流定管内流动是层流流动，采用式（3-15）估算： （3-18）由质量流量关系： (3-19)而且：可得： （3-20）代入式（3-18）中：代回式（3-14）中：取分形微通道热沉为5级，即m=5：3.1.2、微通道内的流动为湍流（）定管内的流动为湍流流动，采用式（3-16）估算： （3-21）由质量流量的关系： （3-22）而且：可得： （3-23）代入式（3-21）中：代回（3-14）式中：取分形微通道热沉为5级，即m=5：3.1. 3、微通道内的流动为湍流（）定管内的流动为湍流流动，根据Yu(1995)推荐了下列关系，采用式（3-17）估算： （3-24）由质量流量关系： （3-25）而且：可得： （3-26）代入式（3-24）中：代回式（3-14）中：取分形微通道热沉为5级，即m=5：对上述的结果进行比较，可知：当传热面积相同的情况下，随着值的增大，的比值也会随之增大。这里表明了相邻级别的努塞尔数值之比，在分形微通道和平行微通道内传热的重要性。据Ghodoossi的研究结果表明，当时，平行微通道的传热性能比分形树状微通道的性能更好；而当时，分形树状微通道则会具有更高的传热性能。特别是，值越大，分形树状微通道的传热性能就越高。Ghodoossi，认为分形微通道不是最有利于传热换热的。他研究了在管长相等的情况下的传热特性，他认为，在微通道总管长相等的条件下，如果，平行通道传热性能将优越于分形树状通道；反之，如果，则分形树状的传热性能更好些。3. 2、T型树状管路的水动力特性分析分形树状管路中，对流换热面积，可以定义如下： （3-27）结合（3-4）和（3-5）式可得： （3-28）代入（3-8）中可知分形树状管中总的换热量： (3-29)分形树状管路中，第i个分支级别的支路的流量取决于： （3-30）其中流量：代入式（3-27）中可得： （3-31）分形树状微管的i级支管的压力降为： （3-32）在微管管路中，摩擦系数是与雷诺数有关的函数，在经典的理论和相关的文献中都有说明。在本文中，认为两个连续分支级别上的摩擦系数比为常数，即： （3-33）整理可得： （3-34）将式（3-28）代入式（3-29）可得： (3-35)则分型管中总的压力降为： (3-36)分形树状微管中的总的泵功消耗是由总流量和总的压力降所共同决定的： (3-37)结合式（3-31）和流量关系式可得： （3-38）现在我们要在总的传热量和传热系数都相等的情况下，讨论平行微通道内的总的泵功消耗能力。在平行微通道内，各个单通道的压力降为： （3-39）这里平行微通道管路的每根管长等于。总的泵水能力等于单个管道中的流量，单根管路压力降和管路总的数目n的乘积，即： （3-40）平行通道内的传热量为： (3-41)因为传热量,且传热系数都相同结合式（3-29）整理可得： （3-42）将上式代入式（3-40）得： （3-43）式（3-38）与式（3-43）之比： （3-44）3.2.1、管内的流动是层流管内的流动为层流时，由式（3-18）可知层流状态下相邻级别的流道内的努塞尔数之比：代入式（3-44）中：（1）时，分形树状微通道与平行微通道压力降的比值为：当m取5时，,当m取6时，。（2）时，分形树状微通道与平行微通道压力降的比值为：当m取5时，,当m取6时，。（3）时，分形树状微通道与平行微通道压力降的比值为：当m取5时, ,当m取6时，。（4）时，分形树状微通道与平行微通道压力降的比值为：当m取5时，当m取6时，。3.2.2、管内的流动是湍流（）管内的流动为湍流（）时，由（3-21）可知湍流状态下相邻级别的努塞尔数值之比：代回（3-44）中：（1）时，整理可得：当m=5时，当m=6时，。 （2）时，整理得：当m=5时，,当m=6时，。（3）时，