【《马赫数对流动与换热的影响仿真分析案例》2200字】

马赫数对流动与换热的影响仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u21630马赫数对流动与换热的影响仿真分析案例 1248131.1软件介绍 1302231.1.1UG介绍 175621.1.2Fluent介绍 1286461.2模型及网格划分 2261371.2.1模型及边界条件选择 293741.2.2模型与参数设置 227861.2.3网格划分 289761.3不同马赫数对多孔介质区的流动与换热影响 3103083.3.1进口马赫数对流动的影响 4254433.3.2进口马赫数对换热的影响 9软件介绍UG介绍UG（Unigraphics）是西门子公司开发的一种用于解决工程问题的数字化平台，是衔接概念、设计、分析、制造的重要工具。UG具有强大的功能性，可以解决许多复杂模型的构建。并且方便再次开发，为实际问题的解决带来了新的可能性。Fluent介绍Fluent属于计算流体力学（CFD，ComputationalFluidDynamics）的一部分，CFD是一种融合了多门学科的科学。它基于N-S方程等物理公式，进行数值模拟，代替了可能需要的大量实验，大大节约了时间与财力。正是基于其解决复杂问题的能力，CFD在最近几十年中得到了快速发展。Fluent能成为CFD中最为流行的商业软件之一主要是因为其泛用性和强大的处理能力，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业问题均可使用。Fluent有较多的优点，如物理模型丰富，适用于许多疑难问题；前后处理能力强大，便于更快的输出结果。Fluent的对流差分格式包括一阶迎风、二阶迎风、中心差分和QUICK格式等，湍流模型包含了标准的k-ω模型、SSTk-ω模型、BSLk-ε模型、Realizablek-ε模型、Spalart-Allmaras模型、雷诺应力模型（RSM）、大涡模拟（LES）、分离涡模拟（DES）等，可以计算定常和非定常流动，可压和不可压流动，具有较高的普适性。模型及网格划分模型及边界条件选择在本章的计算中，湍流模型选用SSTk-ω模型，用定常数值模拟，采用密度基求解，时间推进选用Implicit，无粘通量采用二阶迎风格式离散。密度假设为理想气体模型，分子粘性系数使用Sutherland公式求解。边界条件中，进口为压力边界进口，出口为压力边界出口，避免设置为无滑移的绝热边界，其中上边界可设置为对称边界。模型与参数设置使用UG建模，命名为模型一。模型一的尺寸如表3.1所示。设多孔区前流道的长度L1为30mm，多孔区长度L2为30mm，多孔区后的流道长度L3为30mm，模型高度h为10mm，换热管直径ϕ为2mm，换热管间距l为2.5mm，孔隙率为0.5，多孔区流通面积A0/流道面积A为0.2。表3.1模型一尺寸L1/mmL2/mmL3/mmh/mmϕ/mml/mm孔隙率A0/A3030301022.50.50.2模型如图3.1所示图3.1多孔介质模型网格划分将UG中画完的图形转为igs文件导入Workbench，在ICEMCFD中打开，使用非结构化网格，网格数量约在5万左右。网格如图3.2（a）所示，局部网格如图3.2（b）所示图3.2（a）模型网格划分图3.2（b）换热管周围局部网格划分不同马赫数对多孔介质区的流动与换热影响为了研究不同马赫数下多孔介质区的流动与换热情况，需控制变量。设置壁面温度为150K，出口反压Pb/P0为0.5（其中Pb为出口反压，P0为来流的大气压力）。考虑到预冷器位于进气道之后，在经过进气道减速增压后预冷器进口马赫数较小。因此设置马赫数为0.3、0.5、0.7、0.9、1.4、1.6、1.8、2.0。在上述马赫数情况下，模型的进出口条件如下表所示表3.2不同马赫数下的进出口参数马赫数0.30.50.70.91.41.61.82.0飞行高度/km1111121314151719进口总压/Pa24162.6269272682628041450934759550848.650604.6进口静压/Pa227002270019339.716579.61417011197.88849.76467.5总温/K220.55226.8251.7251.7300327.6357390出口反压/Pa11350113509669.78289.870855598.94424.93233.8其中，总压的计算公式为：，总温的计算公式为3.3.1进口马赫数对流动的影响图3.3~图3.10为在不同马赫数下，出口反压为0.5，孔隙率为0.5，换热管壁温为15K时的压力和马赫数云图，图3.11为换热管周围的局部流线图。（a）压力云图（b）马赫数云图图3.3马赫数为0.3时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.4马赫数为0.5时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.5马赫数为0.7时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.6马赫数为0.9时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.7马赫数为1.4时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.8马赫数为1.6时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.9马赫数为1.8时的流场云图（a）压力云图（b）马赫数云图图3.10马赫数为2.0时的流场云图图3.11换热管局部流线图从上述马赫数云图中可以看出，随着进口马赫数的逐渐增大，出口段的马赫数逐渐增大，且出口段超声速区域逐渐扩大，在马赫数2.0时多孔区出口基本为超音速状态。结合图3.11的流线图可以看出，多孔区的流动主要发生在换热管上下之间，其流速远大于换热管左右之间，而换热管左右之间则有大量漩涡。可以推测，多孔介质模型可类似看作一种拉瓦尔喷管，流体在多孔区中不断地收缩和扩张，收到压差、流速、粘性等多方面的影响，在换热管间形成了漩涡。从上述压力云图中可以看出，随着流体的流动，流道内的压力逐渐减小，且随着马赫数的增大，压差逐渐增大，如图3.12所示。图3.12不同马赫数下的压差3.3.2进口马赫数对换热的影响图3.13为不同马赫数下多孔介质模型的静温云图，数值模拟的参数如表4.2所示，孔隙率0.5，出口反压0.5，壁温150K。马赫数为0.3时的静温云图（b）马赫数为0.5时的静温云图（c）马赫数为0.7时的静温云图（d）马赫数为0.9时的静温云图（e）马赫数为1.4时的静温云图（f）马赫数为1.6时的静温云图（g）马赫数为1.8时的静温云图（h）马赫数为2.0时的静温云图图3.13不同马赫数下的静温云图由图3.13可以看出，随着流体在模型内流动，由于换热管的冷却，不论马赫数大小，温度均会下降。图3.14与图3.15展示了不同马赫数下的努塞尔数和对流换热系数，从这两张图中可以看出，马赫数越大，努塞尔数和对流