【《传热学中的对流传热问题的模型模拟分析》3900字】

传热学中的对流传热问题的模型模拟研究目录TOC\o"1-3"\h\u18045传热学中的对流传热问题的模型模拟研究 1105921.1对流传热的定义 1217911.2研究方法 171301.2.1直管内强制对流物理模型的建立 1215541.2.2圆管绕流对流传热的物理模型 216011.2.3数学模型的建立 273601.3直管内强制对流传热过程 3228941.1.1模拟实验参数的设定 3205591.1.2两种模型的流动传热分析 373271.4圆管绕流对流传热过程 9158161.4.1参数的设置情况 9156591.4.2流动与传热分析 91.1对流传热的定义由传热学教材可知对流的概念，对流仅在流体中发生，指的是流体宏观运动，流体不同部分之间的相对位移引起的热传递交付过程。但除了宏观运动外，由于布朗运动，流体中的每个粒子也都在进行无规则微观运动，而这无规则的运动也会引起热对流。1.2研究方法1.2.1直管内强制对流物理模型的建立采用光管模型一研究管内进行强制对流，设置管道内径为4cm，为了更方便的观察到流体在管道入口以及中间段的流动情况，设管道长度与管道内径比例为20:1，管道长度即为80cm。网格采用六面体单元进行划分以保证计算精度并同时提高计算速度。因为流体在流动时会产生边界层而边界层又会影响流体的流动，所以所以应对固体边界层进行网格加密。结果如下图所示（图1.1网格划分）1.2.2圆管绕流对流传热的物理模型在2维坐标系下，计算区域的大小为是25cm×10cm的矩形。取管子外径长度1.5cm，令管道的中心处与进口处和上下边界的距离均为5cm。采用四边形元素对模型进行网格化，要在圆管周围进行一定程度的加密。因为流体横掠单管时边界层的影响很大。为了保证实验的合理性和正确性。网格的划分应尽量小一些。故流体横掠单管的物理模型及网络划分如下二图所示：{EQ\F(x,y)}图1.2圆管绕流对流传热几何结构1.2.3数学模型的建立(1)入口段和完全发展段当流体进入管中，因为流体是有粘性的，所以会有边界层。这种边界层会使流体受到减速效果，边界层会沿流动方向变厚，边界层厚度从零到管轴中心的管段称为入口段,后面的段叫做完全发展段。入口段中的流体速度会不断地发生变化，而进入完全发展段后，在管道内的流体的速度分布将保持恒定。同样，在热传递中，热边界层可以说，在管轴上会聚后，传热充分进行，随后的传热强度充分发挥，流体速度没有进一步的变化。但是为了与流体力学显示差异，我们将入口段称为流动入口段。把充分发展段称为传热入口段。对于层流部分，轴转速为完全发展的流动轴转速的98％层流入口段的长度是完全展开的入口段的标准，计算方法如下L=1.36dRe¼。湍流流动入口段长度可由下式计算：湍流流动入口段长度可由l/d≈0.05ReP计算。查询资料后得知l/d＞60且在湍流情况下平均表面换热系数不会受入口段的影响。(2)SSTk-ω模型它是标准k-ω模型的一个变体。但比k-ε模型适用面更广也更精确，SSTk-ω模型还能在低Re数下以及近壁区域的计算且效果均能够符合实际的要求，SSTk-ω模型输运方程为：1.3直管内强制对流传热过程1.1.1模拟实验参数的设定管内流动介质为水，入口温度为7.00℃，壁面温度47.00℃，流速分别为层流1cm/s（雷诺数38.90），湍流10cm/s（雷诺数3890.80）。设置临界条件为速度入口和速度出口。层流速度设置为1cm/s，并保持流速。设湍流速度为10cm/s，计算可得Re数数值为38.90和3890.80因为管壁带来的影响。采用SSTk-ω方程模型应对湍流工况。1.1.2两种模型的流动传热分析（1）层流情况为了清晰的看到fluent计算出来的流动结果故在z轴中心轴线方向创建截面，生成速度和温度云图。层流流动时中心截面的速度、温度云图如图1.3所示。图1.3层流流动时的速度云图和温度云图从图中我们可以看到，在层流条件下，管道中存在可见的流动边界层和温度边界层。进气段相对较短，但在这极短的距离，来自内部的流动边界已经在管道的中心合并，并且已完全发展。而传热入口段比流动入口段长得多，所以在管子的中后段才在管道中心，连接，开始传热发展段。图1.4管道中心流体速度变化图。给出了管道中心流速度分布，可见，管道的中间部分的流体流速较大，此后，当流体充分展开时，管道中心的速度将不会随着距离的增加而增加。此后，当流体充分展开时，管道中心的速度将不会随着距离的增加而增加。沿管道的长度和方向取三个截面，分别为5.00cm、2.00cm、8.00cm。该截面中沿管道直径的速度分布如图1.5所示。从该部分的速度分布图可以看出，管道中心流体速度随着边界层的发展而变快，直到边界层在管道轴线上收敛才达到最大速度。如下图所示。图1.4层流流动时管轴处速度变化图=5.00cm=2.00cm=8.00cm图1.5各截面沿管径方向的速度分布图看图1.6从入口开始，您可以看到对流传热系数沿长度方向持续减小。它发生了很大变化。沿管子长度取几个截面，计算其温度后，将数据制作成成折线图如图3-8所示，平均温度在很短的距离内就有显著的升高，然后随着流动距离的增加，温度变化趋于减缓。并且流体温度趋于逐渐变得恒定。显然，完全展开部分的散热效果不如入口部分的传热效果。图1.6对流系数云图 图1.7轴向平均温度分布(2)湍流的模拟分析图1.8-1.9别给出了湍流速度、温度分布情况和沿轴向速度变化曲线。显而易见湍流边界层的典型发展特点，即速度边界层发展缓慢，入口发展段较长。而流入入口段的流动比层流长。经过约40cm，充分发展。对温度云图的观察表明，由于相对较高的流速，管内的温度变化不够明显，热边界层非常薄，并沿管的长度方向发展非常慢。从l/d=20<60可以看出，整个管道的传热过程受入口段的影响。图1.8湍流流动时的速度云图和温度云图图1.9湍流流动时管轴沿程速度变化图1.10给出不同截面位置处流体速度曲线，对这三图进行比较,可见，流在管子的中心侧壁上的流体不断地加速，出口已完全展开，其速度分布是呈对称抛物线的形状，可改变管中心的流体速度。比较相同横截面的速度分布，可以发现管壁附着在湍流的管壁上的速度梯度大于层流的速度梯度。=0.05=0.2=0.8图1.10各截面沿管径方向的速度分布图下图分别是管壁对流传热系数的分布云图和管中流体平均温度的变化曲线图。从这两图可以看出，在湍流条件下，对流传热系数沿着管子的长度逐渐减小，并且在入口的短距离内显着变化。流体的温度显着升高，对流传热发生在后半部分。系数的变化很小，类似于层流条件。与层流条件不同，在湍流条件下，管道中心和后部的对流传热系数仍处于大数位。这是因为湍流下的传热入口段要长得多。管子出口处的流动很好，但传热过程仍在入口部分，在管道长度的后半段，流体的温度数值变化不大，但与水平轴呈线性关系。图1.11管壁的对流换热系数分布云图图1.12流体平均温度的沿程变化根据计算结果，在层流和湍流条件下，流体出口温度分别为38.85℃和11.55℃，热交换数值分别为0.1526KW和2.563KW。这表示在流体速度增大后，温度也相应下降到不足原来的十分之一。湍流流动中的径向脉动，导致流体只会在管壁附件被短暂加热。从而导致出口温度比层流低得多，但热交换值却比层流高得多。因此，如果要在指定的壁温下实现更好的传热性能，则需要增加流量并最大化入口部分的的传热效果以增强传热。如果要获得更高的出口度数，则需要全面测量流量与管子长度之间的关系，以方便于提高出口流量。1.4圆管绕流对流传热过程1.4.1参数的设置情况绕流介质为空气，入口边界条件设置为速度入口，大小为1m/s，空气温度为30℃，压力出口，壁面温度恒为200℃。入口边界条件设置为速度进风口，速度设置为1m/s，进风口温度为30℃，出口设置为压力出口。将管壁设置为恒定温度壁面，温度为200℃。顶壁和底壁设置为默认设置。湍流模型使用SSTK-ω方程模型，1.4.2流动与传热分析通过计算可得t=0.1s时的速度云图、速度矢量图、压力分布图和温度分布图，分别如图3-14、图3-15、图3-16、图3-17所示。图3-13速度云图图3-14速度矢量图3-1图3-15压力分布图3-17t=0.1s时的温度云图图3-17t=0.1s时的温度云图图3-16的温度分布从图中可以看出，速度边界层已经在t=0.1s处分离。并且在分离点壁附近出现v=0的停滞区。在管子后面产生了两个涡流，涡流两侧的速度比中心快，强烈的涡流在中心造成负压。观察温度云图，在管壁附近，可以看到沿其存在清晰的热边界层。随着流动方向的发展，最终会在管子的上侧和下侧发生分离。因为分离点后的流体停滞甚至回流让热量散发，这导致在边界层分离点流出后的流体温度较高。速度云图，流线图和温度云图在t=0.5s时计算，计算结果分别如图1.18、1.19和1.20所示。由速度云图（图1.17）和流线图（图1.18）显示，在t=0.5s时，管底侧的涡流从管壁逸出，并且管后的尾流被拉近出口。流线是波浪形的。观察Fluent软件模拟的动画，这时圆管两侧的涡流交替离开管壁，然后在分离点连续形成新的涡流，并以特定的频率衰减，最后形成新的涡街。图1.图1.18t=0.5s时的流线图图1.17t=0.5s时的速度云图查看温度云图（图3-19），我们可以看到热流体主要分布在管道后面的涡流区域。交替的涡流使热流体分离。可以获得在管的背风侧的传热效果。从计算结果可以确认，在t=0.1s时，管壁的平均对流传热系数为25.0。而在t=0.5s时为30.4确实，随着流体的运动，流体在涡流中的温度在回流的过程中逐渐降低，并在出口处，涡流的流体的温度与周围的流体温度基本一致。图1.19t=0.5s时的温度云图做出t=0.5s时Nu数随角度φ的变化曲线，如图3-21所示，其中φ表示从前滞止点顺时针旋转的角度。可以看到，在φ=0°~105°范围内，Nu数随角度的增加而递降，这是由于边界层不断增厚导致传热恶化的缘故。φ=105°之后Nu数出现了回升，这是因为在φ=105°处发生了绕流脱体，脱体区的扰动强化了传热效果。图3-20t=0.5s圆管表现局部表面传热系数的变化在Fluent中定义文件。记住、记录并计算每次时间点流体并通过完成管道的阻力系数与升力系数计算后，导出文件数据并绘制阻力系数和升力系数之间的变化曲