矩形橫截面螺旋管的研究畢業(yè)論

1、.沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文論文題目：張小岑熱能090109110112內(nèi)容摘要第一章 文獻(xiàn)綜述1.1課題背景螺旋管因其具有傳熱效率高、加工制作方便等優(yōu)點(diǎn)，在高效蒸汽發(fā)生器和冷卻器、核反應(yīng)堆、電站鍋爐、船舶動(dòng)力、石油化工、航天航空、微電子器件冷卻、先進(jìn)燃料電池系統(tǒng)冷卻、食品制藥、以及制冷與低溫技術(shù)等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用螺旋流道作為一種強(qiáng)化換熱通道，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛應(yīng)用于動(dòng)力、石油和化工等換熱設(shè)備中fl.流體在螺旋管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于離心力的作用，會(huì)在垂直于主流方向的橫截面上產(chǎn)生二次流，二次流相對(duì)于軸向主流速度在數(shù)量級(jí)上雖然較小，但其與軸向主流復(fù)合成螺旋式的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，破壞了邊界層，強(qiáng)化了換熱，

2、因此研究螺旋流道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及換熱特性對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。1.2螺旋管的研究現(xiàn)狀 到目前為止，國(guó)內(nèi)外已對(duì)管內(nèi)兩相流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究探索，但大部分研究是以水一空氣或水一水蒸汽為工質(zhì)對(duì)直管進(jìn)行的，許多關(guān)于直管內(nèi)的兩相流流型、空隙率、流動(dòng)阻力和傳熱特性的數(shù)據(jù)和計(jì)算關(guān)聯(lián)式己被業(yè)內(nèi)人士廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。我國(guó)西安交通大學(xué)在這方面進(jìn)行了長(zhǎng)期系統(tǒng)的研究，取得了顯著的成果。而對(duì)矩形螺旋管內(nèi)的兩相流動(dòng)與傳熱的研究則非常少，現(xiàn)有的一些文獻(xiàn)主要是關(guān)于矩形螺旋管內(nèi)的凝結(jié)傳熱特性的研究，少數(shù)的關(guān)于矩形螺旋管內(nèi)流動(dòng)沸騰特性的研究，而關(guān)于矩形臥式螺旋管內(nèi)兩相流極為少見。 1974年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的Rowl

3、and教授和他的博士后Molina13在“自然”雜志上發(fā)表文章，指出正在廣泛使用的CFC類制冷工質(zhì)會(huì)消耗地球周圍的臭氧層，對(duì)地球生物和人類帶來(lái)危害。之后，對(duì)螺旋管和其它環(huán)保制冷工質(zhì)的兩相流動(dòng)與傳熱特性的研究，以及以螺旋管為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)進(jìn)行的?；芯康玫搅藝?guó)內(nèi)外廣泛的重視，也已取得了不少的成果，大多數(shù)也是針對(duì)直管進(jìn)行的。從上世紀(jì)初以來(lái)，很多學(xué)者對(duì)螺旋管內(nèi)的單相流動(dòng)與傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，也有一些關(guān)于螺旋管和其它曲線管內(nèi)單相流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬研究的文獻(xiàn)報(bào)道。但對(duì)于螺旋管內(nèi)的兩相流動(dòng)與傳熱特性的研究相對(duì)較少，并且其中多數(shù)是針對(duì)空氣一水或水一水蒸汽進(jìn)行的。圓形螺旋風(fēng)管系采用寬為1 Ocm的被鋅俐帶繞制成，

4、有單層與兩層風(fēng)管中夾保溫材料構(gòu)成的雙層保溫風(fēng)管兩種型式.圓形螺旋風(fēng)管的摩擦阻力的大小決定于咬口接縫制作模具.實(shí)驗(yàn)曲線表明:由于各種口徑風(fēng)管的制作模具不同，所以摩擦阻力曲線排列無(wú)理論規(guī)律，必須對(duì)其各別測(cè)定.另外又rIE明，Ii 115螺淀風(fēng)管覃漆阻燈雖咯大千普通鍍鋅ill板摩阻，但很接近.目前此風(fēng)管月多于船用空調(diào)系統(tǒng)。眾所周知，在通風(fēng)空調(diào)工程中應(yīng)用的通風(fēng)管道內(nèi)，其空氣流動(dòng)狀態(tài)，絕大多數(shù)是在過(guò)渡區(qū)域內(nèi)，風(fēng)速為5 -40m/s范圍內(nèi).因此當(dāng)雷諾數(shù)Re與風(fēng)管直徑D為定值時(shí)，入值主要取決于風(fēng)管表面的粗糙度K值.由于圓形螺旋風(fēng)管是采用寬為l0cm的鍍鋅鋼帶制成，整個(gè)風(fēng)管具有螺距為l0cm的咬口接縫，所以粗

5、糙度K值不能簡(jiǎn)單采用材料表面的絕對(duì)粗糙度，應(yīng)考慮咬口接縫的影響因素，而應(yīng)采用當(dāng)量水力粗糙度表示。因此咬口接縫加工的質(zhì)量，直接影響到當(dāng)量水力粗糙度數(shù)值的大小，亦即影晌螺旋風(fēng)管的摩擦阻力系數(shù).由于各生產(chǎn)廠家的加工水平與選用材料不同，所以要對(duì)各廠生產(chǎn)的螺旋風(fēng)管進(jìn)行摩擦阻力的實(shí)驗(yàn)研究，取得其摩擦阻力系數(shù)，制作計(jì)算圖表，以供用戶使用。由于流場(chǎng)特性主要取決于流道結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)，因此，由于截面形狀不同，三角形流道內(nèi)流體的流動(dòng)特性肯定有別于其他截面形狀的螺旋流道.同時(shí)在實(shí)際的工程應(yīng)用中，也存在三角形螺旋流道的典型應(yīng)用，如角鋼夾套，它是將角鋼螺旋纏繞焊接在筒體狀容器的外側(cè)，角鋼與筒體外壁構(gòu)成一個(gè)三角形截面螺旋流

6、道，流道內(nèi)通入加熱或冷卻介質(zhì)，可加熱或冷卻容器內(nèi)的物料。 與半圓形螺旋流道流體流動(dòng)的阻力相比，當(dāng)Re數(shù)相同且半圓形螺旋流道螺距、曲率半徑及當(dāng)量直徑按模型1取值時(shí)，三角形螺旋流道的阻力較小，流體流動(dòng)性能好，且隨Re增大，三角形螺旋流道的優(yōu)勢(shì)愈加明顯.在所研究的Re范圍內(nèi)，三角形螺旋流道的阻力系數(shù)廠為半圓管螺旋流道阻力系數(shù)的84.1%-99.5%.螺旋管由于其結(jié)構(gòu)緊湊和高換熱性能等特點(diǎn)，在發(fā)電機(jī)組、核電設(shè)備、制冷和食品加工等工業(yè)場(chǎng)所被作為熱交換器的基本結(jié)構(gòu)而廣泛使用。與直管相比，螺旋管具有較高的對(duì)流換熱效率。人們對(duì)圓形橫截面螺旋管已經(jīng)進(jìn)行了一系列的理論、數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究。采用數(shù)值分析方法，研究了扭矩

7、對(duì)矩形截面螺旋管內(nèi)充分發(fā)展態(tài)層流流動(dòng)的影響。結(jié)果表明，螺旋管的曲率及扭矩是影響層流換熱性能的主要參數(shù)。在航空航天領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)力機(jī)以及沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，矩形橫截面內(nèi)螺旋管冷卻結(jié)構(gòu)由于加工技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，已被廣泛使用。目前，對(duì)于矩形橫截面螺旋管的研究仗部分局限于層流流動(dòng)，對(duì)于湍流的研究非常有限。1.3本課題的研究方向?qū)W會(huì)使用Cambit和Fluent軟件，使用第二章Gambit和Fluent軟件的介紹由于我需要學(xué)習(xí)FLUENT來(lái)做畢業(yè)設(shè)計(jì)，王老師給了我一本書，王瑞金的FLUENT技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例，當(dāng)然，學(xué)這本書之前必須要有兩個(gè)條件：第一，具有流體力學(xué)的基礎(chǔ)，第二，有FLUENT

8、安裝軟件可以應(yīng)用。然后就照著書上二維的計(jì)算例子，一個(gè)例子，一個(gè)步驟地去學(xué)習(xí)，然后學(xué)習(xí)三維，再針對(duì)具體你所遇到的項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性的計(jì)算。不能急于求成，從前理器GAMBIT，到通過(guò)FLUENT進(jìn)行仿真，再到后處理，如TECPLOT，進(jìn)行循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)，堅(jiān)持，效果是非常顯著的。如果身邊有懂得FLUENT的老師，那么遇到問(wèn)題向老師請(qǐng)教是最有效的方法，碰到不懂的問(wèn)題也可以上網(wǎng)或者查找相關(guān)書籍來(lái)得到答案。2.1Gambit軟件的介紹 GAMBIT軟件是面向CFD的專業(yè)前處理器軟件，它包含全面的幾何建模能力,既可以在GAMBIT內(nèi)直接建立點(diǎn)、線、面、體幾何，也可以從主流的CAD/CAE系統(tǒng)如PRO/E、UGI

9、I、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN導(dǎo)入幾何和網(wǎng)格，GAMBIT強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力為建立復(fù)雜的幾何模型提供的極大的方便。GAMBIT具有靈活方便的幾何修正功能，當(dāng)從接口中導(dǎo)入幾何時(shí)會(huì)自動(dòng)的合并重合的點(diǎn)、線、面；GAMBIT在保證原始幾何精度的基礎(chǔ)上通過(guò)虛擬幾何自動(dòng)的縫合小縫隙，這樣既可以保證幾何精度，又可以滿足網(wǎng)格劃分的需要。GAMBIT功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具，可以劃分出包含邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格。GAMBIT中專有的網(wǎng)格劃分算法可以保證在較為復(fù)雜的幾何區(qū)域可以直接劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。GAMBIT中的TGRID方法可以在極其復(fù)雜的幾何區(qū)

10、域中可以劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，GAMBIT網(wǎng)格劃分方法的選擇完全是智能化的，當(dāng)你選擇一個(gè)幾何區(qū)域后GAMBIT會(huì)自動(dòng)選擇最合適的網(wǎng)格劃分算法，是網(wǎng)格劃分過(guò)程變的極為容易。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的網(wǎng)格。2.1.1Gambit軟件的特點(diǎn) ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力，通過(guò)多種方式直接建立點(diǎn)、線、面、體，而且具有強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力，ACIS內(nèi)核已提高為ACIS R12。該功能大大領(lǐng)先于其它CAE軟件的前處理器； 可對(duì)自動(dòng)生成的Journal文件進(jìn)行編輯，以自動(dòng)控制

11、修改或生成新幾何與網(wǎng)格； 可以導(dǎo)入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多數(shù)CAD/CAE軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過(guò)程新增自動(dòng)公差修補(bǔ)幾何功能，以保證GAMBIT與CAD軟件接口的穩(wěn)定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工程師的工作量； 新增PRO/E、CATIA等直接接口， 使得導(dǎo)入過(guò)程更加直接和方便； 強(qiáng)大的幾何修正功能，在導(dǎo)入幾何時(shí)會(huì)自動(dòng)合并重合的點(diǎn)、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角、去除小面、去除單獨(dú)輔助線和修補(bǔ)倒角時(shí)更加快速、自動(dòng)、靈活，而且準(zhǔn)確保證幾何體的精度； G/TURBO模塊可以準(zhǔn)確而高效的生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械

12、中的各種風(fēng)扇以及轉(zhuǎn)子、定子等的幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格； 強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分包括邊界層等CFD特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。GAMBIT中專用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格； 先進(jìn)的六面體核心(HEXCORE)技術(shù)是GAMBIT所獨(dú)有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，使用該技術(shù)劃分網(wǎng)格時(shí)更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量； 居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)（Size function）功能可使用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過(guò)程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過(guò)渡與分布更加合理，最大限度地滿足CFD分析的需要； GAMBIT可高度智能化地

13、選擇網(wǎng)格劃分方法，可對(duì)極其復(fù)雜的幾何區(qū)域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格； 新版本中增加了新的附面層網(wǎng)生成器，可以方便地生成高質(zhì)量的附面層網(wǎng)格； 可為FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格和格式。2.1.2 Gambit的操作步驟步驟1：?jiǎn)?dòng)Gambit軟件步驟2：文件的創(chuàng)建及求解器的選擇步驟3：創(chuàng)建控制點(diǎn)步驟4：創(chuàng)建邊步驟5：創(chuàng)建面步驟6：體的創(chuàng)建步驟7：實(shí)體網(wǎng)格的劃分步驟8：邊界條件類型的指定步驟9：Mesh文件的輸出2.2 Fluent軟件的介紹Fluent是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國(guó)的市場(chǎng)占有率為60%，

14、凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能。CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來(lái)模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而FLUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使FLUENT在轉(zhuǎn)換與湍流、傳熱與相變、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動(dòng)/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。目前與FLUENT配合最好的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格軟件是ICEM，而不是早已過(guò)時(shí)的GAMBIT。2.2.1 Fluent FL

15、UENT軟件特點(diǎn)(1) Fluent 軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法；(2)定常/非定常流動(dòng)模擬，而且新增快速非定常模擬功能； (3) Fluent T軟件中的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，用戶只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動(dòng)壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動(dòng)生成。網(wǎng)格變形方式有三種：彈簧壓縮式、動(dòng)態(tài)鋪層式以及局部網(wǎng)格重生式。其局部網(wǎng)格重生式是Fluent 所獨(dú)有的，而且用途廣泛，可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問(wèn)題以及物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律事先不知道而完全由流動(dòng)所產(chǎn)生的力所決定的問(wèn)題；(4) Fluent 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不

16、連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格等。值得強(qiáng)調(diào)的是，F(xiàn)LUENT軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格的自適應(yīng)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)技術(shù)以及動(dòng)網(wǎng)格與網(wǎng)格動(dòng)態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)；(5) Fluent 軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的；(6) Fluent 軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無(wú)粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型組、k-模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。另外用戶還可以定制或添加自己的湍流模型；(7)適用于牛頓流體、非牛

17、頓流體；含有強(qiáng)制/自然/混合對(duì)流的熱傳導(dǎo)，固體/流體的熱傳導(dǎo)、輻射；化學(xué)組份的混合/反應(yīng)；(8)自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型；融化溶化/凝固；蒸發(fā)/冷凝相變模型；風(fēng)扇，散熱器，以熱交換器為對(duì)象的集中參數(shù)模型(9)離散相的拉格朗日跟蹤計(jì)算；非均質(zhì)滲透性、慣性阻抗、固體熱傳導(dǎo)，多孔介質(zhì)模型（考慮多孔介質(zhì)壓力突變）；慣性或非慣性坐標(biāo)系，復(fù)數(shù)基準(zhǔn)坐標(biāo)系及滑移網(wǎng)格；動(dòng)靜翼相互作用模型化后的接續(xù)界面；基于精細(xì)流場(chǎng)解算的預(yù)測(cè)流體噪聲的聲學(xué)模型；質(zhì)量、動(dòng)量、熱、化學(xué)組份的體積源項(xiàng)；豐富的物性參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)；(10)磁流體模塊主要模擬電磁場(chǎng)和導(dǎo)電流體之間的

18、相互作用問(wèn)題；連續(xù)纖維模塊主要模擬纖維和氣體流動(dòng)之間的動(dòng)量、質(zhì)量以及熱的交換問(wèn)題；(11)高效率的并行計(jì)算功能，提供多種自動(dòng)/手動(dòng)分區(qū)算法；內(nèi)置MPI并行機(jī)制大幅度提高并行效率。另外，F(xiàn)LUENT特有動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡功能，確保全局高效并行計(jì)算；(12) Fluent 軟件提供了友好的用戶界面，并為用戶提供了二次開發(fā)接口（UDF）；(13) Fluent FLUENT軟件采用C/C+語(yǔ)言編寫，從而大大提高了對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的利用率。(14)在CFD軟件中，F(xiàn)luent軟件是目前國(guó)內(nèi)外使用最多、最流行的商業(yè)軟件之一。Fluent的軟件設(shè)計(jì)基于"CFD計(jì)算機(jī)軟件群的概念",針對(duì)每一種流動(dòng)

19、的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用適合于它的數(shù)值解法在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利時(shí)PolyFlow和Fluent Dynamical International(FDI)的全部技術(shù)力量(前者是公認(rèn)的在黏彈性和聚合物流動(dòng)模擬方面占領(lǐng)先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD軟件方面領(lǐng)先的公司 ),因此Fluent具有以上軟件的特點(diǎn)。2.2.2 Fluent的求解器求解步驟1：Fluent求解器的選擇步驟2：網(wǎng)格的相關(guān)操作步驟3：選擇計(jì)算模型步驟4：定義流體的物理性質(zhì)步驟5：設(shè)置邊界條件步驟6：求解方法的設(shè)置及其控制步驟7：

20、Tecplot后處理第三章 Fluent實(shí)例簡(jiǎn)介一、模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容本模擬實(shí)驗(yàn)的目的主要有3個(gè)：（1）學(xué)生初步了解并掌握Fluent求解問(wèn)題的一般過(guò)程，主要包括前處理、計(jì)算、后處理三個(gè)部分。（2）理解計(jì)算機(jī)求解問(wèn)題的原理，即通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離散化，從而求解代數(shù)方程組，求得整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域的場(chǎng)分布。（3）模擬系統(tǒng)總的傳熱量并與傅立葉導(dǎo)熱定律的求解結(jié)果相比較，驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：（1）模擬一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱平板內(nèi)的溫度分布。（2）模擬一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱總的傳熱量。二、實(shí)例簡(jiǎn)介圖1-1 導(dǎo)熱計(jì)算區(qū)域示意圖如圖1-1所示，平板的長(zhǎng)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它的厚度，平板的上部保持高溫，平板的下部保持低溫。平板的

21、長(zhǎng)高比為30，可作為一維問(wèn)題進(jìn)行處理。需要求解平板內(nèi)的溫度分布以及整個(gè)穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程的傳熱量。三、實(shí)例操作步驟1. 利用Gambit對(duì)計(jì)算區(qū)域離散化和指定邊界條件類型步驟1：?jiǎn)?dòng)Gambit軟件并建立新文件在路徑C:Fluent.Incntbinntx86下打開gambit文件（雙擊后稍等片刻），其窗口布局如然后是建立新文件，操作為選擇FileNew打開對(duì)話框。在ID文本框中輸入onedim作為文件名，然后單擊Accept按紐，在隨后顯示的對(duì)話框中單擊Yes按紐保存。步驟2：創(chuàng)建幾何圖形選擇OperationGeometryFace ，打開對(duì)話框。 在Width內(nèi)輸入30，在Height中輸入1

22、，在Direction下選擇+X+Y坐標(biāo)系，然后單擊Apply，并在Global Control下點(diǎn)擊 ，則出現(xiàn)幾何圖形。步驟3：網(wǎng)格劃分（1）邊的網(wǎng)格劃分 當(dāng)幾何區(qū)域確定之后，接下來(lái)就需要對(duì)幾何區(qū)域進(jìn)行離散化，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選擇OperationMeshEdge，打開對(duì)話框。在Edges后面的黃色對(duì)話框中選中edge.1和edge.3。也可以采用Shift鼠標(biāo)左鍵的方法選中edge.1和edge.3。然后在Spacing中選擇Interval count，在其左邊的對(duì)話框中輸入100，即將這兩個(gè)邊各劃分成100個(gè)等份。最后點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。則出網(wǎng)格劃分。 采用同樣的方法對(duì)面的其它邊進(jìn)行網(wǎng)

23、格劃分，設(shè)定edge.2和edge.4的Spacing對(duì)應(yīng)的數(shù)值為10，注意Spacing的類型仍然為Interval count，可以得到所示面上各邊的網(wǎng)格劃分。（2）面的網(wǎng)格劃分對(duì)邊進(jìn)行網(wǎng)格劃分實(shí)際上是對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界進(jìn)行離散化，計(jì)算區(qū)域的內(nèi)部同樣需要進(jìn)行離散化，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。選擇OperationMeshFace ，打開對(duì)話框。在Faces后面的黃色框中選中face.1，選中之后，可以看到面上的邊均變成紅色，表示選擇成功。對(duì)話框中的其它選項(xiàng)均保持默認(rèn)值，此時(shí)Spacing的類型為Interval size，它左邊的默認(rèn)值為1。點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。步驟4：邊界條件類型的指定

24、在指定邊界條件之前，需要選定一個(gè)求解器，因?yàn)椴煌蠼馄鞯倪吔珙愋筒灰粯?。這里選擇SolveFluent5/6，選擇之后Gambit布局窗口標(biāo)題欄中的Solve:Generic將變成Solve: Fluent5/6。選擇OperationZone，打開對(duì)話框,指定邊界條件的類型。首先指定面的上邊為熱源。具體操作為在Name右邊的白色框中輸入heat，選擇Entity下面的類型為Edges，然后在Edges右邊的黃色對(duì)話框中選擇熱源對(duì)應(yīng)的邊edge.3，點(diǎn)擊Apply之后就將edge3定義成了熱源。用同樣的方法可以將下邊定義成冷源cold。左右兩條邊可以不需要定義，保持Gambit默認(rèn)即可。都定義

25、完之后，可以得到邊界名稱和邊界類型。步驟5：指定計(jì)算區(qū)域的類型Gambit默認(rèn)的計(jì)算區(qū)域的類型為流體，而這里墻體內(nèi)部的材料為固體，因此需要設(shè)置。設(shè)置方法為：選擇OperationZone，打開窗口，選擇Type為Solid，選擇Entity為Faces，并在Faces右邊的黃色對(duì)話框中選擇面face.1，然后點(diǎn)擊應(yīng)用，即將計(jì)算區(qū)域的類型指定為固體區(qū)域。步驟6：網(wǎng)格文件的輸出選擇FileExportMesh打開輸出文件的對(duì)話框。注意只有選擇了Export 2-D(X-Y) Mesh選項(xiàng)之后才能輸出為.msh文件。點(diǎn)擊Accept之后，窗口下面的Transcript內(nèi)出現(xiàn)Mesh was succ

26、essfully written to onedim.msh，表示網(wǎng)格文件輸出成功。2. 利用Fluent求解器進(jìn)行求解利用Gambit軟件繪制出幾何圖形、劃分網(wǎng)格、指定邊界類型以及輸出Mesh文件，然后用Fluent將網(wǎng)格文件導(dǎo)入，便可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。步驟1：網(wǎng)格文件的讀入、檢查及顯示啟動(dòng)Fluent的2D求解器之后，首先需要對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行讀入并檢查。啟動(dòng)Fluent后，在Versions中選擇2d，點(diǎn)擊Run按鈕即可。（1）網(wǎng)格文件的讀入選擇FileReadCase在C:Fluent.Incntbinntx86下找到onedim.msh文件并將其讀入（2）檢查網(wǎng)格文件選擇GridChe

27、ck對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行檢查，這里要注意最小的網(wǎng)格體積（minimum volume）值一定要大于0。（3）顯示網(wǎng)格選擇DisplayGrid，出現(xiàn)網(wǎng)格顯示對(duì)話框。網(wǎng)格文件的各個(gè)部分的顯示可以通過(guò)Surfaces下面列表框中某個(gè)部分是否選中來(lái)控制。Surfaces下面列表框中的都被選中，此時(shí)單擊Display，就會(huì)看到網(wǎng)格形狀。步驟2：選擇計(jì)算模型一維導(dǎo)熱模型的控制方程只有能量方程，只需要選擇DefineModelsEnergy，然后在出現(xiàn)的對(duì)話框中選中Energy Equation,單擊OK即完成了方程的選擇。步驟3：定義固體的物理性質(zhì)選擇DefineMaterials, 打窗口，在Materia

28、l Type選項(xiàng)中選擇solid，F(xiàn)luent默認(rèn)的固體材料為鋁aluminum，我們假定平板的材料為鋁，材料的屬性取默認(rèn)值，點(diǎn)擊Change/Create按鈕，再點(diǎn)擊Close即可。步驟4：設(shè)置邊界條件選擇DefineBoundary Conditions，對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界條件進(jìn)行具體設(shè)置。對(duì)熱源heat的邊界類型wall點(diǎn)擊set，出現(xiàn)的對(duì)話框，將默認(rèn)的Thermal Condition下的heat Flux改為第一類邊界條件Temperature，在Temperature右邊的白色文本框內(nèi)輸入310。用同樣的方法對(duì)冷源進(jìn)行設(shè)置，其溫度為300。即熱源和冷源的溫度差為10K。步驟5：求解設(shè)

29、置（1）初始化選擇SolveInitializeInitialize，打開對(duì)話框。依次點(diǎn)擊Init、Apply和Close按鈕。（2）殘差設(shè)置選擇SolveMonitorsResidual，打開對(duì)話框。選擇Options下面的Plot復(fù)選項(xiàng)，則可在計(jì)算時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示計(jì)算殘差。并將energy右邊的殘差設(shè)定為1e-08，然后點(diǎn)擊OK按鈕（3）迭代計(jì)算選擇SolveIterate，打開對(duì)話框。設(shè)置Number of Iterations 為200。然后單擊Iterate按鈕，就會(huì)顯示計(jì)算過(guò)程。步驟6：保存結(jié)果選擇FileWriteCase & Data，保存所有的設(shè)置和所有的數(shù)據(jù)。四、模擬實(shí)

30、驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)上面的迭代計(jì)算，就可以查看模擬計(jì)算的結(jié)果。模擬結(jié)果的主要包括三個(gè)方面：（1）平板內(nèi)部的溫度分布；（2）平板內(nèi)部的溫度梯度；（3）平板總的傳熱量。（1）平板的溫度分布選擇DisplayContours，出現(xiàn)對(duì)話框，在Contours of 下選擇Temperature 和Static Temperature，單擊Display出現(xiàn)一個(gè)窗口，按住鼠標(biāo)中間向右拖動(dòng)將等溫度圖適當(dāng)放大（圖形的縮放、移動(dòng)可以通過(guò)Display -> Mouse Button來(lái)打開Mouse Buttons（鼠標(biāo)按鍵）面板進(jìn)行設(shè)定。），即可得到溫度分布。在Contours窗口中選中Options中的Fill

31、ed，可以得到的溫度分布云圖。（3）平板的總傳熱量選擇ReportFluxes，打開對(duì)話框，在Options下選擇Total Heat Transfer Rate， Boundaries下選擇heat，然后單擊Compute即可得到平板的總熱流量為60726.6W。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律計(jì)算的理論結(jié)果為60720W，相對(duì)誤差為0.01%，表明結(jié)果正確。Fluent保存和編輯圖形的方法：左鍵（或右鍵）點(diǎn)擊顯示窗口左上角的圖標(biāo)，點(diǎn)開后最下面有三個(gè)選項(xiàng)：Page Setup、Print及Copy to Clipboard，選擇Page Setup，出現(xiàn)如下圖所示窗口。按照上面窗口的設(shè)置完成后點(diǎn)擊OK，再

32、選擇Copy to Clipboard，再到WORD中粘貼，即可得到彩色白底圖形。在Page Setup中，Picture Format（圖形格式）一欄中可以將圖形格式設(shè)為Vector（矢量）或Raster（光柵）。其中Vector（矢量）格式清晰度高，但操作速度較慢，Raster（光柵）格式清晰度稍差，但操作速度較快，可以根據(jù)自己的需要決定圖形格式。第四章數(shù)值模擬及計(jì)算4.1模型的建立需要以下建立模型（1） 管徑長(zhǎng)軸a=10，短軸b=10（2） 螺旋管半徑Rc=50，螺距p=20實(shí)際操作步驟（1）利用Gambit對(duì)計(jì)算區(qū)域離散化和指定邊界條件類型步驟1：?jiǎn)?dòng)Gambit軟件并建立新文件在路徑

33、C:Fluent.Incntbinntx86下打開gambit文件然后是建立新文件，操作為選擇FileNew打開入圖4-1所示的對(duì)話框。圖4-1建立新文件在ID文本框中輸入onedim作為文件名，然后單擊Accept按紐，在隨后顯示的圖4-2對(duì)話框中單擊Yes按紐保存。圖4-2 確認(rèn)保存對(duì)話框步驟2：創(chuàng)建幾何圖形選擇OperationGeometryVertex打開圖4-3所示的對(duì)話框。圖4-3 創(chuàng)建點(diǎn)的對(duì)話框在Global內(nèi)輸入x，y，z各控制點(diǎn)坐標(biāo)，單擊apply按鈕，改點(diǎn)就會(huì)在控制框內(nèi)顯示出來(lái)，重復(fù)這一操作，可以得出四個(gè)點(diǎn)。選擇OperationGeometryedge打開圖4-4所示的

34、對(duì)話框。圖4-4創(chuàng)建線的對(duì)話框 在Verticies內(nèi)選中點(diǎn)，然后單擊apply，就會(huì)出現(xiàn)一跳線 重復(fù)這個(gè)操作就會(huì)得到以下圖形選擇OperationGeometryedge 打開如圖4-5所示的對(duì)話框圖4-5 創(chuàng)建螺旋線參照?qǐng)D中的數(shù)據(jù)選項(xiàng)，單擊apply按鈕生成4-6所示的圖形。圖4-6幾何圖形的顯示選擇OperationGeometryFace ，打開圖4-7所示的對(duì)話框。圖4-7 面的創(chuàng)建在edges內(nèi)選中4條邊，然后單擊apply，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)面 。選擇選擇OperationGeometryVolume，打開圖4-8所示的對(duì)話框。圖4-8體的創(chuàng)建步驟3：網(wǎng)格劃分（1）面的網(wǎng)格劃分對(duì)邊進(jìn)行

35、網(wǎng)格劃分實(shí)際上是對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界進(jìn)行離散化，計(jì)算區(qū)域的內(nèi)部同樣需要進(jìn)行離散化，需要對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。選擇OperationMeshFace ，打開圖4-9所示的對(duì)話框。圖4-9 面網(wǎng)格劃分對(duì)話框在Faces后面的黃色框中選中face.1，選中之后，可以看到面上的邊均變成紅色，表示選擇成功。對(duì)話框中的其它選項(xiàng)均保持默認(rèn)值，此時(shí)Spacing的類型為Interval size，它左邊的默認(rèn)值為1。點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。（2）體的網(wǎng)格劃分選擇OperationMeshvolmues ，打開圖4-10所示的對(duì)話框圖4-10體網(wǎng)格劃分對(duì)話框在Volumes后面的黃色框中選中Volumes.1，選中

36、之后，可以看到面上的邊均變成紅色，表示選擇成功。對(duì)話框中的其它選項(xiàng)均保持默認(rèn)值，此時(shí)Spacing的類型為Interval size，它左邊的默認(rèn)值為1。點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。就得到如圖4-11所示的幾何圖形。圖4-11 網(wǎng)格的劃分步驟4：邊界條件類型的指定在指定邊界條件之前，需要選定一個(gè)求解器，因?yàn)椴煌蠼馄鞯倪吔珙愋筒灰粯印＿@里選擇SolveFluent5/6，選擇之后Gambit布局窗口標(biāo)題欄中的Solve:Generic將變成Solve: Fluent5/6。選擇OperationZone，打開對(duì)話框,指定邊界條件的類型。首先指定面的上邊為熱源。具體操作為在Name右邊的白色框中輸入in

37、let，選擇Entity下面的類型為faces，然后在faces右邊的黃色對(duì)話框中選擇熱源對(duì)應(yīng)的邊f(xié)aces.1，在type內(nèi)選擇類型為VELOCITY_INLET，點(diǎn)擊Apply之后就將inlet定義成了入口面。用同樣的方法可以將下邊定義出口面outlet和內(nèi)邊加熱面nei，保持Gambit默認(rèn)即可。都定義完之后，可以得到圖4-12的邊界名稱和邊界類型。圖4-12邊界條件的指定步驟5：網(wǎng)格文件的輸出選擇FileExportMesh打開輸出文件的對(duì)話框，如圖1-15所示。圖4-13輸出文件對(duì)話框注意只有選擇了Export 2-D(X-Y) Mesh選項(xiàng)之后才能輸出為.msh文件。點(diǎn)擊Accep

38、t之后，窗口下面的Transcript內(nèi)出現(xiàn)Mesh was successfully written to onedim.msh，表示網(wǎng)格文件輸出成功。2. 利用Fluent求解器進(jìn)行求解利用Gambit軟件繪制出幾何圖形、劃分網(wǎng)格、指定邊界類型以及輸出Mesh文件，然后用Fluent將網(wǎng)格文件導(dǎo)入，便可以對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。步驟1：網(wǎng)格文件的讀入、檢查及顯示啟動(dòng)Fluent的3D求解器之后，首先需要對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行讀入并檢查。啟動(dòng)Fluent后出現(xiàn)下面的窗口，在Versions中選擇3d，點(diǎn)擊Run按鈕即可。（1）網(wǎng)格文件的讀入選擇FileReadCase在C:Fluent.Incntbinn

39、tx86下找到onedim.msh文件并將其讀入，如圖1-16所示。（2）檢查網(wǎng)格文件選擇GridCheck對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行檢查，這里要注意最小的網(wǎng)格體積（minimum volume）值一定要大于0。（3）顯示網(wǎng)格選擇DisplayGrid，出現(xiàn)網(wǎng)格顯示對(duì)話框，如圖4-15所示。圖4-15 網(wǎng)格顯示對(duì)話框網(wǎng)格文件的各個(gè)部分的顯示可以通過(guò)Surfaces下面列表框中某個(gè)部分是否選中來(lái)控制。如圖1-17所示的Surfaces下面列表框中的都被選中，此時(shí)單擊Display，就會(huì)看到的網(wǎng)格形狀。步驟2：選擇計(jì)算模型選擇DefineModelsEnergy，然后在出現(xiàn)的如圖4-16所示的對(duì)話框中選中En

40、ergy Equation,單擊OK即完成了方程的選擇。圖4-16能量方程的選擇對(duì)話框步驟3：定義水的物理性質(zhì)選擇DefineMaterials, 打開如圖4-17所示窗口，在Material Type選項(xiàng)中選擇fluid，F(xiàn)luent默認(rèn)的流體為空氣air，我們假定流體為水water，材料的屬性取默認(rèn)值，點(diǎn)擊Change/Create按鈕，再點(diǎn)擊Close即可。圖4-17水的屬性步驟4：設(shè)置邊界條件選擇DefineBoundary Conditions，對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界條件進(jìn)行具體設(shè)置。對(duì)流體的類型選擇水，inlet的邊界類型VELOCITY_INLET點(diǎn)擊set，出現(xiàn)圖4-18所示的對(duì)話框

41、，將默認(rèn)的速度改為0.0896。nei邊的邊界類型為wall，Thermal Condition下Temperature右邊的白色文本框內(nèi)輸入350K如圖4-19所示。圖4-18 速度邊界條件的設(shè)定圖4-19熱源邊界條件的設(shè)定步驟5：求解設(shè)置（1）初始化選擇SolveInitializeInitialize，打開如圖4-20所示的對(duì)話框。Compute內(nèi)選擇inlet，依次點(diǎn)擊Init、Apply和Close按鈕。圖4-20 初始化對(duì)話框（2）殘差設(shè)置選擇SolveMonitorsResidual，打開如圖4-21所示的對(duì)話框。選擇Options下面的Plot復(fù)選項(xiàng)，則可在計(jì)算時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示計(jì)算

42、殘差。將x，y，z的殘差設(shè)定為1e-06,并將energy右邊的殘差設(shè)定為1e-06，然后點(diǎn)擊OK按鈕。圖4-21 殘差設(shè)置對(duì)話框（3）迭代計(jì)算選擇SolveIterate，打開如圖4-22所示的對(duì)話框。設(shè)置Number of Iterations 為200。然后單擊Iterate按鈕，就會(huì)顯示圖4-22所示的計(jì)算過(guò)程。圖4-22 迭代設(shè)置對(duì)話框 圖1-25 迭代求解過(guò)程（3） SurfaceIso_Surface和Iso_clip創(chuàng)建面，在Line/Rake中創(chuàng)建線。（4） ReportSurface Integrals計(jì)算平均溫度，阻力系數(shù)和Nu。步驟6：保存結(jié)果選擇FileWriteCa

43、se & Data，保存所有的設(shè)置和所有的數(shù)據(jù)。Fluent保存和編輯圖形的方法：左鍵（或右鍵）點(diǎn)擊顯示窗口左上角的圖標(biāo)，點(diǎn)開后最下面有三個(gè)選項(xiàng)：Page Setup、Print及Copy to Clipboard，選擇Page Setup，出現(xiàn)如下圖所示窗口。按照上面窗口的設(shè)置完成后點(diǎn)擊OK，再選擇Copy to Clipboard，再到WORD中粘貼，即可得到彩色白底圖形。在Page Setup中，Picture Format（圖形格式）一欄中可以將圖形格式設(shè)為Vector（矢量）或Raster（光柵）。其中Vector（矢量）格式清晰度高，但操作速度較慢，Raster（光柵）格式

44、清晰度稍差，但操作速度較快，可以根據(jù)自己的需要決定圖形格式。第五章 計(jì)算結(jié)果及分析5.1.雷諾數(shù)對(duì)矩形螺旋管流動(dòng)特性和傳熱特性的影響建立以下模型，其中截面邊長(zhǎng)a=10，邊長(zhǎng)b=10，螺旋半徑Rc=50，螺距h=20，截取z=0 x>0 y>30的速度圖，分別取雷諾數(shù)Re=500，1000，1500，2000，2500對(duì)比其流動(dòng)特性和傳熱特性。5.1.1雷諾數(shù)對(duì)矩形截面的螺旋管流動(dòng)特性的影響。（1）雷諾數(shù)對(duì)速度場(chǎng)的影響X方向 Re=500 Re=1000 Re=1500 Re=2000 Re=2500Y方向 Re=500 Re=1000 Re=1500 Re=2000 Re=2500Z方向 Re=500 Re=1000 Re=1500 Re=2000Re=2500從圖5.1中可以看出，螺旋管的截面在X向速度等值線主要分布在兩個(gè)區(qū)域中，分別位于長(zhǎng)軸兩端及中心線區(qū)域，長(zhǎng)軸兩端區(qū)域速度等值線大致相同且速度方向相反。在Y向速度等值線則沿長(zhǎng)軸和短軸之間的一條斜線上分成形狀大致相同且速度相反的兩個(gè)區(qū)域。而在Z軸上。最大等值線靠