计算传热学课程设计报告

中国石油大学(华东)49计算传热过程设计(报告)表头：多孔介质填充矩形截面通道对流换热完全发展的数值研究学生名称：朱鹏琦上朝小姐彭来路旭红色学号：专业课：热能和电力工程10-1课导师：黄善公良2013年7月5日项目按人员分配任务编程鲁徐红、齐上朝、杨蓬莱、朱彭问题分析Zhu Peng(图像)，qi shangchao(程序)图像杨鹏来PPT制作周峰柔道鲁徐红、齐上朝、杨蓬莱、朱彭报告卢旭红列常规组长：朱鹏队员：卢旭红，季常超，杨鹏来目录1.设计主题.31.1设计主题.31.2已知参数.42.物理和数学模型.52.1物理模型.52.2数学模型.53.数值处理和编程.63.1数学模型的无量纲.63.2数值模拟.83.3编程.114.程序验证.125.计算结果和分析.14结论.217.参考文献.218.附录.221设计标题(多孔介质，矩形a/b，单个方程式)水在充满多孔介质的矩形截面的通道中进行充分发育的层流。多孔介质具有良好的传热能力，多孔是计算渗透率k、惯性系数CF、有效导热系数ke的基本结构参数，具体表现在5中。内部充满流体时的流动和传热通常用体积平均法建模。也就是说，无论区域内孔的微观结构如何，在区域中的任何点，流体相和固体相都是假设的。金属泡沫具有较高的固体骨架热导率，因此对于内部对流传热，通常采用局部不平衡模型，该模型考虑了该地区流体温度和固体温度的差异。填充孔隙率为=0.6的多孔介质时，透射率表示为：惯性系数表示为：有效热导率ke显示为：沿流动方向的速度方程式可以简化为(1)剖面的平均流速为WM=0.1m/s，DP/dz值恒定，可以通过以下方式获得：(2)其中w是沿流动方向的速度。传热方程式如下：(3)其中z是轴。假设流动和传热都达到了完全开发，外壁是恒定的热流边界条件(qw=1000W/)，基于局部热平衡模型，选择a=0.04m、b=0.02m、20 c作为水特性的参考温度，参阅“数值传热”(Tao Wenquan)部分4.81.1设计主题1.分析了孔隙率对渗透率k，惯性系数CF，有效导热系数ke的影响，并计算了相应的变化关系。2.通过能量守恒，使方程(3)变得更简单，并消除z(仅在恒定热流条件下运行)，实现了流动和传热方程的无量纲处理。3.计算无轴向速度的二维数值解法，计算摩擦系数f，数，并分析对f数的影响。4.计算无量纲温度的二维数值解法，并计算剖面流体的平均温度和数量。1.2已知参数为了取得数值结果并使用结果进行分析，目前给定主题相关的数量，矩形剖面： a=0.04m，b=0.02m。充填多孔=0.6，热流密度qw=1000W/，平均流速，孔径，20 水质量属性参数渗透率k(在特定压差下允许孔结构通过流体的能力)惯性系数(用于研究泄漏，流体力学中常用的无量纲量)压力降(轴向增加压力降导致的压力头损失)计算2物理和数学模型2.1物理模型图1矩形截面通道物理模型图图2流体坐标2.2数学模型渗透率显示为：(2-1)惯性系数表示为：(2-2)有效热导率ke显示为：(2-3)沿流动方向的速度方程式可以简化为(2-4)相应的边界条件：剖面的平均流速为=0.1m/s，值是常量，可以通过以下方式获得：(2-5)其中w是沿流动方向的速度。传热方程式如下：(2-6)其中z是轴。相应的边界条件：3.数值处理和编程3.1数学模型无量纲(1)流动方程的无量纲处理(3-1)定义无量纲速度：无标注坐标定义：其中D是通道截面的特性尺寸D=a，以下是：而且，而且，在替代格式(3-1)中：(3-2)(3-3)(3-4)沿流动方向速度方程式处理边界条件(由于接近墙面的流体因粘滞力，墙面的侧流为零)其边界条件包括：(2)传热方程的无量纲处理(3-5)，等效直径，墙温度，剖面中所有位置的流体温度而且，而且，替代格式(3-5):(3-6)传热方程的边界条件处理(沿轴研究小微元素薄层的周围壁温度均被视为值)其边界条件包括：3.2数值模拟用有限体积法数值求解控制方程。首先，使用外部节点方法等距离离散解析区域(请参见图3)图3解决方案区域的等距离散(1)流动方程的离散对于速度方程式，控制体积的积分为：(3-7)其中：而且，处理源项目：满足0因此(最后一个重复值)上述替代格式(3-7)如下：(3-8)(3-9)其中：(2)传热方程的离散传热方程在控制体积上积分如下：(3-10)源项目：(满足要求)在上一代(3-10)中清理：(3-11)、(3)摩擦系数f，计算数下降增长 (3-12)而且，(3-13)以下列项目取代上述数量(3-12):(3-14)(3-15)而且，以下列项目取代上述数量(3-14):(3-16)(3-17)(4)按水道假设用矩形通道加热周围，(3-18)，以格式(3-17)替换上述数量：(3-19)3.3编程流程图如下所示：图4流程流4计划的验证4.1多孔=1小时验证多孔=1时，水在矩形截面通道中充满多孔介质的完全发展的层流相应地转变为矩形截面通道中没有多孔介质的完全发展的层流。沿流动方向的速度方程式适当退化，如下所示：边界条件：定义无量纲数量：定义无量纲速度：定义无量纲坐标：简化为：无量纲边界条件：离散方程最终可以得到：、表1矩形截面层流完全开发传热的Nu和fRe操作值和精确值比较(=1)项目运行值精确值错误(%)弗雷61.620.0004Nu4.4.121.334.2网格独立评估表2网格密度17*921*1131*1641*2151*2661*31Nu8.7.7.7.7.7.79651图5分析：在其他网面分割中，Nu的值开始减少，但网面密度增加时，它会逐渐变小，最终趋于稳定。可以认为满足网格独立评价，5%5计算结果和分析5.1速度和无量纲温度分布图6图7图8图9特征：在矩形截面周围的壁面附近流动的流体，由于粘着力的作用，速度为零。稍微远离周围墙的流体受影响较小，因此速度稳定到平均速度。矩形截面通道的四壁通过恒定热流加热，在轴向截面的一个微元素薄层内，四壁温度被认为是均匀的，通常内部流体加热较少，无量纲温度变得越来越负，无量纲温度表示对称性。5.2渗透率k，惯性系数CF，有效导热系数ke的孔隙率影响规则分析及其变化关系计算。孔隙率对渗透率k的影响()表3多孔和渗透率k数据表00.050.10.150.20.250.30.35k09.23E-138.23E-123.11E-118.33E-111.85E-103.67E-106.77E-100.40.450.50.550.60.650.70.75k1.19E-092.01E-093.33E-095.48E-099E-091.49E-082.54E-084.5E-080.80.850.90.950.970.99k8.53E-081.82E-074.86E-072.29E-066.76E-066.47E-05图10特性：1)。为0时，通道完全阻塞，渗透率为0，透射率为0。如果为1时通道完全没有阻塞，即认为没有任何孔隙结构存在，透射率变得无限，那么此时透射率就没有意义了。2)。从函数关系和图像来看，上一图开始时变化趋势缓慢增加，但随着接近1，变化