CFD项目报告-光滑管与横纹管流动与传热仿真研究.docx

目 录1 引言11.1 强化传热概述11.2 CFD和NHT概述22 问题描述及对其建立模型42.1 问题描述42.2 模型的建立52.2.1 控制方程和边界条件52.2.2 网格划分53 结果与讨论63.1 模型的验证63.2 光滑管与横纹管流动与传热性能对比73.3 横纹间距对横纹管流动和传热的影响93.4 横纹深度对横纹管流动和传热的影响103.5 横纹间距和深度对横纹管流动传热的综合影响114 总结与展望134.1 总结134.2 展望13参考文献1414光滑管与横纹管流动与传热仿真研究摘要：本文利用通用软件FLUENT研究光滑管和横纹管流动传热的仿真研究。本文对比了光滑管和横纹管的流动传热性能，并研究了横纹管的横纹间距和深度对其的影响。研究发现：所研究的横纹管有一定的强化传热性能，但是需要较高压差，即需要较大的阻力。关键字：数值计算；横纹管；流动传热1 引言1.1 强化传热概述强化换热技术是提高换热器换热效率，降低制造成本的主要途径。换热器的设计过程是相当复杂的，因为设计者不仅要考虑换热设备的使用寿命以及制造成本，同时还要分析换热器的换热量、压力损失方面的问题。当换热管使用附加部分来增强换热时，压力损失也会随着换热量的增加而增加，因此，为了使改装后的换热器的换热效率达到最优，设计者应该要协调换热量和由压力损失引起的成本消耗之间的关系。一般来说，增强换热的方法主要分为三类，分别为主动强化技术、被动强化技术和混合强化技术。 （a）主动强化技术需要在系统中额外的输入能量来增强换热，主要包括电、磁场、机械诱导脉动、表面振动、流体振动、射流或者抽吸等。这种技术不仅增加了换热量，同时也增加了外部能源的消耗，因此在工程实际应用中通常不建议使用此方法。 （b）被动强化技术是通过加入插入物或者使用附加装置来改变流道的表面或者几何结构来增强换热的，主要包括扰流组件、涡旋流装置、处理表面、粗糙表面、扩展表面、位移增强装置、表面张力装置、气体及液体添加剂和盘管等。这种强化技术除了工质流动所消耗的功率外，并不需要在系统中额外的输入能量，因此这种方法更符合工程实际的需要。 （c）混合强化技术是上述两种方法的组合，例如将带有纽带的涡旋流装置与粗糙表面组合，流体振动与粗糙表面组合，纽带插入装置与粗糙表面组合等。其中本文主要对被动强化技术中的粗糙表面进行分析研究。粗糙表面：是将换热管或者流动通道的表面进行加工，使它们的表面形成具有一定规律的、粗糙的、凸出壁面的微元体，主要结构如图1-1所示。图1-1 几种粗糙表面结构1.2 CFD和NHT概述计算流体力学（CFD）和数值传热学（NHT）主要是运用数值模拟的方法来计算流动、传热和传质等过程中所遵循的控制微分方程，从而获得计算区域的速度场、温度场和浓度场及其它参数的一门学科。CFD和NHT的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理场，用一些有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。此思想可参照图1-2。在流动与传热计算中应用较广泛的数值方法有：有限差分法，有限容积法，有限元法，有限分析法等。其中有限容积法和有限元法运用最为广泛，对于流动传热问题有限容积法较好，对于固体力学问题有限元法较好。大型通用软件如FLUENT、PHOENICS等采用有限容积法，COMSOL采用有限元法，如何选择方法取决于物理问题的本质。本文采用FLUENT软件对问题进行求解分析，现对有限容积法和FLUENT进行简要概述。有限容积法是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段的分布的分布剖面。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解重建离散方程线性问题是否解的分析初始与边界条件离散化解是否收敛求解离散方程建立离散方程区域离散化建立控制方程、确定初始条件与边界条件图1-2 物理问题数值求解的基本过程的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT经过多年的发展，具有实用性好、计算稳定和精度高等有点。其缺点是由于其通用性对于某些特殊物理问题的求解并不适用，但是FLUENT有较好的二次开发模块，能满足一些特殊问题的求解。2 问题描述及对其建立模型2.1 问题描述本文利用通用软件FLUENT对光滑管和横纹管中流动和传热进行数值计算并对横纹管强化传热机理进行分析。光滑管管径20mm，管长5000mm。横纹管管径20mm，管长5000mm，横纹宽度10mm，深度1mm，横纹间距离20mm，横纹管进口段如图2-1所示。管内的工质为水，进入管道的温度为25，壁面设为定温40，出口为大气压力。水的物性参数如表2-1。轴对称线水进口水进口轴对称线图2-1 横纹管进口段表2-1 水的物性参数密度kg/m比热容cJ/(kgK)热导率W/(mK)动力黏度Pas普朗特数Pr雷诺数Re998.241820.6090.0009027(298.15)0.0006533(313.15)6.22(298.15)4.31(313.15)1 m/s251842 m/s489673 m/s730122.2 模型的建立2.2.1 控制方程和边界条件工质水在管内流动和传热遵循质量、时均动量和能量守恒，三大守恒的控制方程如式（2-1）、（2-2）、（2-3）。由于管内水流动的Re大于104，流动计算时湍流模型选择标准模型，控制方程分别为（2-4）、（2-5）。 （2-1） （2-2）ht+uh=cph+Sh （2-3）方程： （2-4）方程： （2-5）求解上诉方程需要一定数量的边界条件，根据实际问题抽象如下边界条件：1) 进口：速度入口，温度298.15；2) 壁面：速度无滑移，温度313.15；3) 出口：大气压力出口。2.2.2 网格划分在对控制方程离散之前须对计算区域离散化。本文运用Gambit 2.4.6对光滑管和横纹管的物理求解区域进行离散。由于边界层的存在，靠近壁面的网格须加密，靠近壁面的网格尺寸设为0.1mm，以此增加，径向单元一共30，整个区域的网格数量为305000。如图2-2所示。由Gambit生成的网格文件导入到FLUENT中根据所建立的模型进行设置并计算。（a）（b）图2-2 网格划分（a）横纹管（b）光滑管3 结果与讨论3.1 模型的验证数值计算得到的解称为数值解，数值计算中不可避免误差，所以需要对比实验值或经验值来确定它的准确性。本文对比进口速度为2m/s时出口温度的数值解和实际值，Nu和摩擦因子的计算解和经验值，以验证所建立的模型。对于光管管内湍流的对流换热来说，需要选择合适的经验公式来进行验证，而实际中一般选择使用最广泛的迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）公式来验证传热性能，选用布拉修斯（Blasius）公式来验证阻力性能。迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）经验公式的在充分发展段的表达式如下： Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (3-1)当流体处于换热管入口段时，由于入口段的边界层较薄而会产生比充分发展段更高的换热系数，这样就需要对式（3-1）进行修正： Nu=0.023Re0.8Pr0.4(1+(d/l)0.7) (3-2)该公式适用于流体与壁面具有中等以下温度差的场合，对于水来说一般不超过 20-30，并且Re=104-1.2105，Pr=0.7-120，l/d大于60布拉修斯（Blasius）的经验公式如下： f=0.3164Re-0.25 (3-3)如表3-1所示，三个参数的相对误差都在20%以内，所以本文建立的模型对于工程应用是可靠的。表3-1 模型的验证数值解实际值或经验值相对误差出口温度35.8934.603.73%Nu299.83263.2613.90%摩擦因子f0.024780.0212716.50%3.2 光滑管与横纹管流动与传热性能对比图3-1是进口速度为2m/s时光滑管和横纹管的速度云图。可知水在光滑管内流动到一定距离时边界层汇合于中心轴，从而充分发展，以往研究表明入口段的传热效果要好于充分发展段。对于管内流动，可以采取破坏边界层的方法来强化传热。图3-1(b)显示内纹的存在有助于破坏边界层的汇合，增加扰动，到达强化传热的效果。传热学中常常用Nu数来表示传热强度，图3-2是不同Re数下光滑管和横纹管的Nu数。Re数越大对应的是速度越大，流体速度大可带走热量越快，传热温差增加，可强化传热。横纹管的Nu数大于光滑管的，这是因为内纹增加了扰动，破坏边界层，从而强化传热。(a)光滑管(b)横纹管图3-1 入口段速度云图图3-2 Nu数随Re数的变化图3-3是压降和摩擦因子随Re数的变化曲线。 (a) (b)图3-3 压降和摩擦因子随Re数的变化横纹管可以强化传热，但难以避免要付出增大压降的代价。图3-3显示Re数越大，压降越大，但是摩擦因子越小。内纹减小了流体的流通面积，增加了阻挠，从而增加压降，所以横纹管的压降大于光滑管。3.3 横纹间距对横纹管流动和传热的影响针对外凸式螺旋波纹管研究螺纹间距对出口温度，Nu，Nu/Nus ，压差，f，f/fs的影响。进口速度定为2m/s，横纹间距分别取5mm，7.5mm,10mm，15mm, 20mm。如图3-4所示，随着横纹间距的增加，Nu和出口温度逐渐减小，产生这种现象的原因是随着横纹间距的增加，导致横纹周期逐渐减少，因而流体破坏热边界层的范围也逐渐减小，影响了螺纹管的强化换热效果。随着横纹间距的增加，压降和摩擦因子逐渐减小，这主要是由于横纹周期随横纹间距增大而减小引起的。综上所述，横纹间距增加，引起横纹周期数量减少，从而对横纹管的传热性能和阻力性能产生影响。(a) (b) (c)图3-4 横纹间距对流动和传热的影响，（a）出口温度和Nu数，（b）压降和摩擦因子，（c）Nu/Nus和f/fs3.4 横纹深度对横纹管流动和传热的影响图3-5是出口温度，Nu，Nu/Nus ，压差，f，f/fs 随横纹深度的变化曲线。针对外凸式螺旋波纹管研究螺纹深度对Nu，Nu/Nus ，f，f/fs的影响。进口速度定为2m/s，横纹深度分别取1mm，1.25mm, 1.5mm，1.75mm, 2mm。随着横纹深度的增加，Nu和出口温度逐渐增加，产生这种现象的原因是随着横纹深度的增加，导致流体破坏热边界层的范围也逐渐增加，影响了螺纹管的强化换热效果。随着横纹间距的增加，压降和摩擦因子逐渐增大，这主要是由于深度增加减小了流动面积，增加了扰动，增加了局部阻力。(a) (b)(c) 图3-5 横纹深度对流动和传热的影响，（a）出口温度和Nu数，（b）压降和摩擦因子，（c）Nu/Nus和f/fs3.5 横纹间距和深度对横纹管流动传热的综合影响在前面的工作中，发现强化传热的同时会增加阻力，所以对于强化传热技术，须选择一个合适的评价准则，用来评价它的优劣。本文确定管程强化传热效果的综合性能评价指标为： (3-4)图3-6和图3-7随横纹间距和深度的变化曲线。可以看出：较大的间距和减小的深度有更好的综合性能，即有强化传热的前提下压降较小，但是值在小于1，说明说明这种横纹管以消耗更大的动力为代价来提高相对较小的换热效果，综合性能比光滑圆管稍差。图3-6 随横纹间距的变化曲线图3-7 随横纹深度的变化曲线4 总结与展望4.1 总结本文利用通用软件FLUENT研究光滑管和横纹管流动传热的仿真研究。本文对比了光滑管和横纹管的流动传热性能，并研究了横纹管的横纹间距和深度对其的影响。研究发现：1) 在研究范围内，横纹间距越小，强化传热效果更好，但需要更大的动力；2) 在研究范围内，横纹深度越深，强化传热效果更好，但需要更大的动力；3) 横纹管以消耗更大的动力为代价来提高相对较小的换热效果，综合性能比光滑圆管稍差。4.2 展望1) 本文研究横纹管对比光滑管的流动传