空气在高壁温通道内传热特性研究

1、空气在高壁温通道内传热特性研究空气在高壁温通道内传热特性研究 论文导读：采用数值模拟的方法。数值模拟，空气在高壁温通道内传热特性研究。 关键词：高壁温，传热特性，数值模拟，等热流 0 前言 电力机车在电制动时将机车的动能转变为电能，部分电能消耗在电阻制动带上而变为热能。如果电阻制动带上的热量不能有效散失，电阻制动带就容易断裂或搭接在一起，对行车安全造成严重威胁。为解决这一问题，必须改进电阻制动带结构，使其在空气流经其表面时能带走更多热量，从而降低电阻制动带表面温度，使制动带的作用得以充分发挥，因此了解电阻制动带通道内的流动与换热情况就十分必要。本文作者已经对空气在低 Re 数、常物性情况下韶山

2、七型电阻制动带通道内的流动与换热特性作过研究。由于电阻制动带上通过的电流较大，而电阻制动带的电阻很小，故机车在电制动时，电阻制动带壁面上的温度会很高（最高可达六百多摄氏度），因此空气密度的变化不可忽略。本文以韶山七型电力机车的电阻制动带为对象，采用数值模拟的方法，研究了空气在低 Re 数、变密度情况下电阻制动带通道内的换热特性。 1 物理模型和数学公式 韶山七型电阻制动带的物理模型如图 1 所示，其中图 1(a)是电阻制动带的一个通道，图 1(c)是图 1（a）中截面 P-P 的平面图。图 1（b）是本文的计算区域，为方便说明计算中采用的边界条件，我们把图 1(b)中截面 N-N 截取出来并作

3、了相应的标示,如图 1(d)所示。 图 1 中 XL,YL,ZL 分别为计算区域的长宽高，长度分别为 26mm，15 mm，27 mm，图 1（c）中 KS 为开缝长度 L， 为攻击角，计算中开缝长度和攻击角是可变参数，开缝长度 L 分别取为 6mm，5mm，4mm，攻击角 分别取为 20，30，40。 为了能照顾到可压缩流动中由于摩擦而消耗机械能，由于体积变化而引起的速度的散度（u ）和动量不再为零的情况，通用的对流扩散方程宜进一步改写为 （1） 式中为通用变量，可以代表 1, u, v, w, T 等求解变量；为广义扩散系数； ，分别代表由于压力及速度而引起的源项。 进、出口为周期性边界条

4、件： （2） 式（2）中为无量纲温度，其定义为： （3） 式中为截面上空气平均温度，为截面上壁面平均温度，其定义式为： （4） 其中在本文中代表截面上壁面的面积。 壁面 BC，DE，FG，HI, JK, MA 边界条件： , , , . （5） 式中为壁面上热流密度。 上、下面（图 1（b）中 QQRR 面和 TTSS 面）边界条件： , , , .（6） 式中 表示法线方向。 压力进出口边界条件： （7） 图 1(d)和图 1（b）中的物理平面通过两面法转换为适体坐标下的计算平面，其生成的网格如图 2 所示。科技论文，数值模拟。科技论文，数值模拟。 图 2 计算中采用的网格示意图 直角坐标系

5、（x ,y ,z）中的控制方程变换到适体坐标系中为： （8） 式中:, ,为适体坐标轴方向符号，为计算平面与物理平面的转换因子，逆变速度 U，V，W 及 Jacobi 因子可表示为： , , , （9） 式中， 亦为计算平面与物理平面的转换因子。科技论文，数值模拟。 Re, f, Nu 以电阻制动带间距 S 为定型尺寸，其数学表达式为： ， ,（10） 2 离散方法及数值方法 将适体坐标系中的控制方程，在控制容积上积分，导出计算平面上的三维通用微分方程的离散形式为： (11) 式中系数、均采用乘方格式。科技论文，数值模拟。 根据导出的计算平面上通用控制方程的离散表达式，计算中采用了推广后的可压

6、缩流体同位网格上的 SIMPLE 算法，并采用 Rhie-Chow 的方法计算界面上逆变速度。本文以开缝长度 L 等于 6mm,攻击角 等于 30 度，Re=1000 时的情形为例，对数值计算的结果进行了网格考核，结果如表 1 所示。从表上的结果可以看出，加密或稀疏网格对数值计算结果影响很小，因此所得的数值解是网格独立的解.本文计算时采用的网格数为 120 34 54。 表 1 网格考核结果 grid number Nu f 100 28 27 13.0185 0.331 100 28 54 12.6897 0.328 120 34 54 12.7372 0.336 3 结果及分析 3.1 开

7、缝长度 L 对 Nu 数、阻力系数的影响 图 3 显示在相同攻击角、不同开缝长度的情况下，Nu 数随 Re 的增加而增加，阻力系数随 Re 的增加而减小。攻击角相同的情况下，增大开缝长度，Nu 数增加，阻力系数在攻击角等于 250 时随着开缝长度的增加而减小，其他两种情况下开缝长度等于 5mm 时阻力系数最小。 图 3 相同攻击角、不同开缝长度的情况下，Nu 数和阻力系数 f 随 Re 的变化规律 3.2 攻击角 对 Nu 数、阻力系数的影响 从图 4 中可以看出，在开缝长度相同、攻击角不同的情况下，Nu 数随 Re的增加而增加，阻力系数随 Re 的增加而减小。开缝长度相同的情况下，增大攻击角

8、，Nu 数有明显的增加，但阻力系数的变化略有不同，开缝长度 L=4mm 时，攻击角为 300 时阻力系数较其他两种情况小，开缝长度 L=5mm 时，攻击角为350 时阻力系数较其他两种情况小，开缝长度 L=6mm 时，阻力系数随着攻击角的增加有明显的增加。科技论文，数值模拟。 4 结论 本文通过数值模拟的方法研究了高壁温变密度情况下电阻制动带内周期性充分发展的层流流动，说明了不同 Re、不同攻击角、不同开缝长度对 Nu 数和阻力系数 f 的影响。科技论文，数值模拟。得出的结论为：开缝长度 L=5mm，攻击角 =300 是最优参数，可获得较高的换热效率和较小的阻力。 参考文献 1华亮，王良璧.电

9、阻制动带内空气流动与传热数值模拟J.铁道学报,2007,(2):104-108. 2WangLB,Jiang,GD,TaoWQ.NumericalsimulationonheattransferandfluidflowcharacteristicsofarrayswithnonuniformplatelengthpositionedobliquelytotheflowdirectionJ.ASMEJHeatTransfer,1998,120:991-998. 3曹玉璋.实验传热学M.国防工业出版,1998. 4王良壁.复杂截面通道的紊流流动与传热特性的实验及数值计算D.西安:西安交通大学,19

10、96. 5陶文铨.数值传热学M.第 2 版.西安:西安交通大学出版社,2001. 6陶文铨.计算传热学的近代进展M.北京：科学出版社,2000. 7RhieCM,ChowWL.AnumericalstudyoftheturbulentflowpastanisolatedairfoilwithtrilingedgeseparationJ.AIAAJournal,1983,21(11):1525-1532. 式中， 亦为计算平面与物理平面的转换因子。科技论文，数值模拟。 Re, f, Nu 以电阻制动带间距 S 为定型尺寸，其数学表达式为： ， ,（10） 2 离散方法及数值方法 将适体坐标系中的

11、控制方程，在控制容积上积分，导出计算平面上的三维通用微分方程的离散形式为： (11) 式中系数、均采用乘方格式。科技论文，数值模拟。 根据导出的计算平面上通用控制方程的离散表达式，计算中采用了推广后的可压缩流体同位网格上的 SIMPLE 算法，并采用 Rhie-Chow 的方法计算界面上逆变速度。本文以开缝长度 L 等于 6mm,攻击角 等于 30 度，Re=1000 时的情形为例，对数值计算的结果进行了网格考核，结果如表 1 所示。从表上的结果可以看出，加密或稀疏网格对数值计算结果影响很小，因此所得的数值解是网格独立的解.本文计算时采用的网格数为 120 34 54。 表 1 网格考核结果

12、grid number Nu f 100 28 27 13.0185 0.331 100 28 54 12.6897 0.328 120 34 54 12.7372 0.336 3 结果及分析 3.1 开缝长度 L 对 Nu 数、阻力系数的影响 图 3 显示在相同攻击角、不同开缝长度的情况下，Nu 数随 Re 的增加而增加，阻力系数随 Re 的增加而减小。攻击角相同的情况下，增大开缝长度，Nu 数增加，阻力系数在攻击角等于 250 时随着开缝长度的增加而减小，其他两种情况下开缝长度等于 5mm 时阻力系数最小。 图 3 相同攻击角、不同开缝长度的情况下，Nu 数和阻力系数 f 随 Re 的变化

13、规律 3.2 攻击角 对 Nu 数、阻力系数的影响 从图 4 中可以看出，在开缝长度相同、攻击角不同的情况下，Nu 数随 Re的增加而增加，阻力系数随 Re 的增加而减小。开缝长度相同的情况下，增大攻击角，Nu 数有明显的增加，但阻力系数的变化略有不同，开缝长度 L=4mm 时，攻击角为 300 时阻力系数较其他两种情况小，开缝长度 L=5mm 时，攻击角为350 时阻力系数较其他两种情况小，开缝长度 L=6mm 时，阻力系数随着攻击角的增加有明显的增加。科技论文，数值模拟。 4 结论 本文通过数值模拟的方法研究了高壁温变密度情况下电阻制动带内周期性充分发展的层流流动，说明了不同 Re、不同攻

14、击角、不同开缝长度对 Nu 数和阻力系数 f 的影响。科技论文，数值模拟。得出的结论为：开缝长度 L=5mm，攻击角 =300 是最优参数，可获得较高的换热效率和较小的阻力。 参考文献 1华亮，王良璧.电阻制动带内空气流动与传热数值模拟J.铁道学报,2007,(2):104-108. 2WangLB,Jiang,GD,TaoWQ.NumericalsimulationonheattransferandfluidflowcharacteristicsofarrayswithnonuniformplatelengthpositionedobliquelytotheflowdirectionJ.ASMEJHeatTransfer,1998,120:991-998. 3曹玉璋.实验传热学M.国防工业出版,1998. 4王良壁.复杂截面通道的紊流流动与传热特性的