CFD項(xiàng)目報(bào)告-光滑管與橫紋管流動與傳熱仿真研究

1、目 錄1 引言11.1 強(qiáng)化傳熱概述11.2 CFD和NHT概述22 問題描述及對其建立模型42.1 問題描述42.2 模型的建立52.2.1 控制方程和邊界條件52.2.2 網(wǎng)格劃分53 結(jié)果與討論63.1 模型的驗(yàn)證63.2 光滑管與橫紋管流動與傳熱性能對比73.3 橫紋間距對橫紋管流動和傳熱的影響93.4 橫紋深度對橫紋管流動和傳熱的影響103.5 橫紋間距和深度對橫紋管流動傳熱的綜合影響114 總結(jié)與展望134.1 總結(jié)134.2 展望13參考文獻(xiàn)1414光滑管與橫紋管流動與傳熱仿真研究摘要：本文利用通用軟件FLUENT研究光滑管和橫紋管流動傳熱的仿真研究。本文對比了光滑管和橫紋管的流

2、動傳熱性能，并研究了橫紋管的橫紋間距和深度對其的影響。研究發(fā)現(xiàn)：所研究的橫紋管有一定的強(qiáng)化傳熱性能，但是需要較高壓差，即需要較大的阻力。關(guān)鍵字：數(shù)值計(jì)算；橫紋管；流動傳熱1 引言1.1 強(qiáng)化傳熱概述強(qiáng)化換熱技術(shù)是提高換熱器換熱效率，降低制造成本的主要途徑。換熱器的設(shè)計(jì)過程是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)者不僅要考慮換熱設(shè)備的使用壽命以及制造成本，同時(shí)還要分析換熱器的換熱量、壓力損失方面的問題。當(dāng)換熱管使用附加部分來增強(qiáng)換熱時(shí)，壓力損失也會隨著換熱量的增加而增加，因此，為了使改裝后的換熱器的換熱效率達(dá)到最優(yōu)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該要協(xié)調(diào)換熱量和由壓力損失引起的成本消耗之間的關(guān)系。一般來說，增強(qiáng)換熱的方法主要分為三類，

3、分別為主動強(qiáng)化技術(shù)、被動強(qiáng)化技術(shù)和混合強(qiáng)化技術(shù)。 （a）主動強(qiáng)化技術(shù)需要在系統(tǒng)中額外的輸入能量來增強(qiáng)換熱，主要包括電、磁場、機(jī)械誘導(dǎo)脈動、表面振動、流體振動、射流或者抽吸等。這種技術(shù)不僅增加了換熱量，同時(shí)也增加了外部能源的消耗，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中通常不建議使用此方法。 （b）被動強(qiáng)化技術(shù)是通過加入插入物或者使用附加裝置來改變流道的表面或者幾何結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)換熱的，主要包括擾流組件、渦旋流裝置、處理表面、粗糙表面、擴(kuò)展表面、位移增強(qiáng)裝置、表面張力裝置、氣體及液體添加劑和盤管等。這種強(qiáng)化技術(shù)除了工質(zhì)流動所消耗的功率外，并不需要在系統(tǒng)中額外的輸入能量，因此這種方法更符合工程實(shí)際的需要。 （c）混合強(qiáng)化

4、技術(shù)是上述兩種方法的組合，例如將帶有紐帶的渦旋流裝置與粗糙表面組合，流體振動與粗糙表面組合，紐帶插入裝置與粗糙表面組合等。其中本文主要對被動強(qiáng)化技術(shù)中的粗糙表面進(jìn)行分析研究。粗糙表面：是將換熱管或者流動通道的表面進(jìn)行加工，使它們的表面形成具有一定規(guī)律的、粗糙的、凸出壁面的微元體，主要結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖1-1 幾種粗糙表面結(jié)構(gòu)1.2 CFD和NHT概述計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和數(shù)值傳熱學(xué)（NHT）主要是運(yùn)用數(shù)值模擬的方法來計(jì)算流動、傳熱和傳質(zhì)等過程中所遵循的控制微分方程，從而獲得計(jì)算區(qū)域的速度場、溫度場和濃度場及其它參數(shù)的一門學(xué)科。CFD和NHT的基本思想是：把原來在空間與時(shí)間坐標(biāo)中連續(xù)的物理

5、場，用一些有限個離散點(diǎn)上的值的集合來代替，通過一定的原則建立起這些離散點(diǎn)上變量值之間的代數(shù)方程（稱為離散方程），求解所建立起來的代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。此思想可參照圖1-2。在流動與傳熱計(jì)算中應(yīng)用較廣泛的數(shù)值方法有：有限差分法，有限容積法，有限元法，有限分析法等。其中有限容積法和有限元法運(yùn)用最為廣泛，對于流動傳熱問題有限容積法較好，對于固體力學(xué)問題有限元法較好。大型通用軟件如FLUENT、PHOENICS等采用有限容積法，COMSOL采用有限元法，如何選擇方法取決于物理問題的本質(zhì)。本文采用FLUENT軟件對問題進(jìn)行求解分析，現(xiàn)對有限容積法和FLUENT進(jìn)行簡要概述。有限容積法是將計(jì)算

6、區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段的分布的分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權(quán)剩余法中的子區(qū)域法；從未知解重建離散方程線性問題是否解的分析初始與邊界條件離散化解是否收斂求解離散方程建立離散方程區(qū)域離散化建立控制方程、確定初始條件與邊界條件圖1-2 物理問題數(shù)值求解的基本過程的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。CFD商業(yè)軟件FLUENT，是通用CFD軟件包，用來

7、模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。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/變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用。FLUENT經(jīng)過多年的發(fā)展，具有實(shí)用性好、計(jì)算穩(wěn)定和精度高等有點(diǎn)。其缺點(diǎn)是由于其通用性對于某些特殊物理問題的求解并不適用，但是FLUENT有較好的二次開發(fā)模塊，能滿足一些特殊問題的求解。2 問題描述及對其建立模型2.1 問題描述本文利用通用軟件FLUENT對光滑管和橫紋管

8、中流動和傳熱進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并對橫紋管強(qiáng)化傳熱機(jī)理進(jìn)行分析。光滑管管徑20mm，管長5000mm。橫紋管管徑20mm，管長5000mm，橫紋寬度10mm，深度1mm，橫紋間距離20mm，橫紋管進(jìn)口段如圖2-1所示。管內(nèi)的工質(zhì)為水，進(jìn)入管道的溫度為25，壁面設(shè)為定溫40，出口為大氣壓力。水的物性參數(shù)如表2-1。軸對稱線水進(jìn)口水進(jìn)口軸對稱線圖2-1 橫紋管進(jìn)口段表2-1 水的物性參數(shù)密度kg/m³比熱容cJ/(kgK)熱導(dǎo)率W/(mK)動力黏度Pas普朗特?cái)?shù)Pr雷諾數(shù)Re998.241820.6090.0009027(298.15)0.0006533(313.15)6.22(298.15)4

9、.31(313.15)1 m/s251842 m/s489673 m/s730122.2 模型的建立2.2.1 控制方程和邊界條件工質(zhì)水在管內(nèi)流動和傳熱遵循質(zhì)量、時(shí)均動量和能量守恒，三大守恒的控制方程如式（2-1）、（2-2）、（2-3）。由于管內(nèi)水流動的Re大于104，流動計(jì)算時(shí)湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)模型，控制方程分別為（2-4）、（2-5）。 （2-1） （2-2）ht+uh=cph+Sh （2-3）方程： （2-4）方程： （2-5）求解上訴方程需要一定數(shù)量的邊界條件，根據(jù)實(shí)際問題抽象如下邊界條件：1) 進(jìn)口：速度入口，溫度298.15；2) 壁面：速度無滑移，溫度313.15；3) 出口：大

10、氣壓力出口。2.2.2 網(wǎng)格劃分在對控制方程離散之前須對計(jì)算區(qū)域離散化。本文運(yùn)用Gambit 2.4.6對光滑管和橫紋管的物理求解區(qū)域進(jìn)行離散。由于邊界層的存在，靠近壁面的網(wǎng)格須加密，靠近壁面的網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1mm，以此增加，徑向單元一共30，整個區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為30×5000。如圖2-2所示。由Gambit生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT中根據(jù)所建立的模型進(jìn)行設(shè)置并計(jì)算。（a）（b）圖2-2 網(wǎng)格劃分（a）橫紋管（b）光滑管3 結(jié)果與討論3.1 模型的驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算得到的解稱為數(shù)值解，數(shù)值計(jì)算中不可避免誤差，所以需要對比實(shí)驗(yàn)值或經(jīng)驗(yàn)值來確定它的準(zhǔn)確性。本文對比進(jìn)口速度為2m/s時(shí)出

11、口溫度的數(shù)值解和實(shí)際值，Nu和摩擦因子的計(jì)算解和經(jīng)驗(yàn)值，以驗(yàn)證所建立的模型。對于光管管內(nèi)湍流的對流換熱來說，需要選擇合適的經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行驗(yàn)證，而實(shí)際中一般選擇使用最廣泛的迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）公式來驗(yàn)證傳熱性能，選用布拉修斯（Blasius）公式來驗(yàn)證阻力性能。迪圖斯-貝爾特（Dittus-Boelter）經(jīng)驗(yàn)公式的在充分發(fā)展段的表達(dá)式如下： Nu=0.023Re0.8Pr0.4 (3-1)當(dāng)流體處于換熱管入口段時(shí)，由于入口段的邊界層較薄而會產(chǎn)生比充分發(fā)展段更高的換熱系數(shù)，這樣就需要對式（3-1）進(jìn)行修正： Nu=0.023Re0.8Pr0.4(1+(d/l)0.7)

12、(3-2)該公式適用于流體與壁面具有中等以下溫度差的場合，對于水來說一般不超過 20-30，并且Re=104-1.2×105，Pr=0.7-120，l/d大于60布拉修斯（Blasius）的經(jīng)驗(yàn)公式如下： f=0.3164Re-0.25 (3-3)如表3-1所示，三個參數(shù)的相對誤差都在20%以內(nèi)，所以本文建立的模型對于工程應(yīng)用是可靠的。表3-1 模型的驗(yàn)證數(shù)值解實(shí)際值或經(jīng)驗(yàn)值相對誤差出口溫度35.8934.603.73%Nu299.83263.2613.90%摩擦因子f0.024780.0212716.50%3.2 光滑管與橫紋管流動與傳熱性能對比圖3-1是進(jìn)口速度為2m/s時(shí)光滑管

13、和橫紋管的速度云圖?？芍诠饣軆?nèi)流動到一定距離時(shí)邊界層匯合于中心軸，從而充分發(fā)展，以往研究表明入口段的傳熱效果要好于充分發(fā)展段。對于管內(nèi)流動，可以采取破壞邊界層的方法來強(qiáng)化傳熱。圖3-1(b)顯示內(nèi)紋的存在有助于破壞邊界層的匯合，增加擾動，到達(dá)強(qiáng)化傳熱的效果。傳熱學(xué)中常常用Nu數(shù)來表示傳熱強(qiáng)度，圖3-2是不同Re數(shù)下光滑管和橫紋管的Nu數(shù)。Re數(shù)越大對應(yīng)的是速度越大，流體速度大可帶走熱量越快，傳熱溫差增加，可強(qiáng)化傳熱。橫紋管的Nu數(shù)大于光滑管的，這是因?yàn)閮?nèi)紋增加了擾動，破壞邊界層，從而強(qiáng)化傳熱。(a)光滑管(b)橫紋管圖3-1 入口段速度云圖圖3-2 Nu數(shù)隨Re數(shù)的變化圖3-3是壓降和摩

14、擦因子隨Re數(shù)的變化曲線。 (a) (b)圖3-3 壓降和摩擦因子隨Re數(shù)的變化橫紋管可以強(qiáng)化傳熱，但難以避免要付出增大壓降的代價(jià)。圖3-3顯示Re數(shù)越大，壓降越大，但是摩擦因子越小。內(nèi)紋減小了流體的流通面積，增加了阻撓，從而增加壓降，所以橫紋管的壓降大于光滑管。3.3 橫紋間距對橫紋管流動和傳熱的影響針對外凸式螺旋波紋管研究螺紋間距對出口溫度，Nu，Nu/Nus ，壓差，f，f/fs的影響。進(jìn)口速度定為2m/s，橫紋間距分別取5mm，7.5mm,10mm，15mm, 20mm。如圖3-4所示，隨著橫紋間距的增加，Nu和出口溫度逐漸減小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著橫紋間距的增加，導(dǎo)致橫紋周期逐漸

15、減少，因而流體破壞熱邊界層的范圍也逐漸減小，影響了螺紋管的強(qiáng)化換熱效果。隨著橫紋間距的增加，壓降和摩擦因子逐漸減小，這主要是由于橫紋周期隨橫紋間距增大而減小引起的。綜上所述，橫紋間距增加，引起橫紋周期數(shù)量減少，從而對橫紋管的傳熱性能和阻力性能產(chǎn)生影響。(a) (b) (c)圖3-4 橫紋間距對流動和傳熱的影響，（a）出口溫度和Nu數(shù)，（b）壓降和摩擦因子，（c）Nu/Nus和f/fs3.4 橫紋深度對橫紋管流動和傳熱的影響圖3-5是出口溫度，Nu，Nu/Nus ，壓差，f，f/fs 隨橫紋深度的變化曲線。針對外凸式螺旋波紋管研究螺紋深度對Nu，Nu/Nus ，f，f/fs的影響。進(jìn)口速度定為2

16、m/s，橫紋深度分別取1mm，1.25mm, 1.5mm，1.75mm, 2mm。隨著橫紋深度的增加，Nu和出口溫度逐漸增加，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著橫紋深度的增加，導(dǎo)致流體破壞熱邊界層的范圍也逐漸增加，影響了螺紋管的強(qiáng)化換熱效果。隨著橫紋間距的增加，壓降和摩擦因子逐漸增大，這主要是由于深度增加減小了流動面積，增加了擾動，增加了局部阻力。(a) (b)(c) 圖3-5 橫紋深度對流動和傳熱的影響，（a）出口溫度和Nu數(shù)，（b）壓降和摩擦因子，（c）Nu/Nus和f/fs3.5 橫紋間距和深度對橫紋管流動傳熱的綜合影響在前面的工作中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱的同時(shí)會增加阻力，所以對于強(qiáng)化傳熱技術(shù)，須選擇一個

17、合適的評價(jià)準(zhǔn)則，用來評價(jià)它的優(yōu)劣。本文確定管程強(qiáng)化傳熱效果的綜合性能評價(jià)指標(biāo)為： (3-4)圖3-6和圖3-7隨橫紋間距和深度的變化曲線。可以看出：較大的間距和減小的深度有更好的綜合性能，即有強(qiáng)化傳熱的前提下壓降較小，但是值在小于1，說明說明這種橫紋管以消耗更大的動力為代價(jià)來提高相對較小的換熱效果，綜合性能比光滑圓管稍差。圖3-6 隨橫紋間距的變化曲線圖3-7 隨橫紋深度的變化曲線4 總結(jié)與展望4.1 總結(jié)本文利用通用軟件FLUENT研究光滑管和橫紋管流動傳熱的仿真研究。本文對比了光滑管和橫紋管的流動傳熱性能，并研究了橫紋管的橫紋間距和深度對其的影響。研究發(fā)現(xiàn)：1) 在研究范圍內(nèi)，橫紋間距越小，強(qiáng)化傳熱效果更好，但需要更大的動力；2) 在研究范圍內(nèi)，橫紋深度越深，強(qiáng)化傳熱效果更好，但需要更大的動力；3) 橫紋管以消耗更大的動力為代價(jià)來提高相對較小的換熱效果，綜合性能比光滑圓管稍差。4.2 展望1) 本文研究橫紋管對比光滑管的流動