基于FLuent熱對(duì)流邊界的水平和豎直長(zhǎng)圓管自然對(duì)流換規(guī)律和程序?qū)崿F(xiàn)

1、水平長(zhǎng)圓管自然對(duì)流換熱計(jì)算1圓筒穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱熱阻式中:?管道材料導(dǎo)熱系數(shù)，？?/?1。2 格拉曉夫數(shù)和瑞利數(shù)(Grashof Number and Rayleigh Number)在外部驅(qū)動(dòng)（如強(qiáng)制對(duì)流）的情況下，該流動(dòng)的性質(zhì)由雷諾數(shù)表征，雷諾數(shù) 描述了慣性力和粘性力的比。但是，對(duì)于自然對(duì)流等內(nèi)部驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)，速度尺度 最初是未知的。在這種情況下，用格拉曉夫數(shù)表征流動(dòng)狀態(tài)。格拉曉夫數(shù)描述了 流體中的粘性擴(kuò)散和和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)力（浮力）之比。像雷諾數(shù)一樣，格拉曉夫數(shù)需 要定義特征長(zhǎng)度，流體的物性和密度差。在通用情況下，格拉曉夫數(shù)通過(guò)下式定義:?-? ?明? ?式中:?重力加速度，？?/?;?流體的密度，?/

2、?:?自由流密度，？?/?壁面流體的密度，？?/?特征長(zhǎng)度，m；?流體的動(dòng)力粘度，?/(?)上式可以適用于任何密度可以變化的流體，流體的密度可以不僅僅取決于流體的密度?？梢赃m用于濕空氣，其密度取決于濕空氣的溫度和蒸汽濃度。當(dāng)流體的密度僅由溫度決定時(shí)，格拉曉夫數(shù)通過(guò)下式定義：?較？?- ?2?淞？?= ?.?.(?/?式中：?重力加速度，？?/?;?:流體的體積膨脹系數(shù)，1/K;?壁面流體的溫度，K;?:?自由流溫度，K;?特征長(zhǎng)度，m；?流體的動(dòng)力粘度，?/(?)?流體的密度，？?/?通常，流體的體積膨脹系數(shù)由下式給出：1 ?= - ?(?對(duì)于理想氣體：1?=二?當(dāng)格拉曉夫數(shù)到達(dá)109時(shí)，流動(dòng)

3、狀態(tài)從湍流轉(zhuǎn)換為層流，格拉曉夫數(shù)大于109時(shí)流動(dòng)狀態(tài)為湍流。瑞利數(shù)是流動(dòng)狀態(tài)的另一個(gè)指標(biāo)。瑞利數(shù)和格拉曉夫數(shù)相似，除了瑞利數(shù)會(huì) 考慮熱擴(kuò)散率：? ?當(dāng)瑞利數(shù)較小時(shí)，流體域內(nèi)熱傳遞中熱傳導(dǎo)占主 導(dǎo)地位（詳情參見(jiàn)熱傳遞的三種方式）。在這種情況下，換熱系數(shù)與熱對(duì)流無(wú)關(guān)， 相反，把流體視為靜止?fàn)顟B(tài)更準(zhǔn)確。3水平長(zhǎng)圓管外自然對(duì)流換熱當(dāng)瑞利數(shù)小于1012次方時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)由下式計(jì)算。?10.387?60.6+?-8927,人 /0.559、16、(1 + (? ) )式中:?管外徑，m；?管外氣體傳熱系數(shù),?/?1 ；? ?管外氣體普朗特?cái)?shù);?瑞利數(shù)。當(dāng)密度僅為溫度的函數(shù)時(shí)，瑞利數(shù)由下式給出:?=? ?

4、當(dāng)密度為不僅由溫度決定時(shí)，瑞利數(shù)由下式給出:?=? ?你？,?式中:?重力加速度，？?/?;?:體積膨月系數(shù)，1/?;?密度，?/?:定壓比熱容，？?/?1 ;?管外壁溫度，？?:?管外自由流流體溫度，？?管外氣體動(dòng)力粘度，？?/?-1?管外自由流流體密度(通過(guò)自由流溫度和其他參數(shù)計(jì)算得到的流體密度),?/?私管壁處流體密度(通過(guò)管壁溫度和其他參數(shù)計(jì)算得到的流體密度)，?/?除括號(hào)中特殊說(shuō)明的物性參數(shù)外，其他流體物性參數(shù)按照定性溫度等飛取。在工程上還可以用簡(jiǎn)化算法計(jì)算，當(dāng)瑞利數(shù)在1041.5 X108時(shí)，努塞爾數(shù)由下式給出：1?= 0.48(?)4當(dāng)瑞利數(shù)大于1.5X108時(shí)，努塞爾數(shù)由下式給

5、出：1?= 0.1(?)3對(duì)流換熱系數(shù)則為：?=?4豎直長(zhǎng)圓管外自然對(duì)流換熱下式將給出圓柱面自然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算式， 上下圓面的對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)用水平板對(duì)流換熱系數(shù)分別計(jì)算。如果邊界層遠(yuǎn)小于圓柱直徑D(意思就是如果是粗的圓柱就應(yīng)該考慮？的，則應(yīng)考慮豎直壁面修正項(xiàng)？落1? 47? 4? = ?( 3(5(20 + 21? + ?矽_ 4(272 + 315?= 35(64 + 63?式中：D:圓柱直徑，m；H:圓柱高度，m；?管外氣體彳熱系數(shù)，？?/?1；? ?管外氣體普朗特?cái)?shù)；?瑞利數(shù)。當(dāng)密度僅為溫度的函數(shù)時(shí)，瑞利數(shù)由下式給出:?=? ?超?3?當(dāng)密度為不僅由溫度決定時(shí)，瑞利數(shù)由下式給出:?=

6、?胃? ?多?式中:?重力加速度，？?/?;?:體積膨月系數(shù)，1/?;?密度，？?”？?:定壓比熱容，？?/?1 ;?管外壁溫度，？?:?管外自由流流體溫度，？?管外氣體動(dòng)力粘度，？?/?1?:?管外自由流流體密度（通過(guò)自由流溫度和其他參數(shù)計(jì)算得到的流體密度）,?/?私管壁處流體密度（通過(guò)管壁溫度和其他參數(shù)計(jì)算得到的流體密度），?/?除括號(hào)中特殊說(shuō)明的物性參數(shù)外，其他流體物性參數(shù)按照定性溫度衛(wèi)尹取。在工程上還可以用簡(jiǎn)化算法計(jì)算，當(dāng)瑞利數(shù)在104109時(shí)，努塞爾數(shù)由下式給出：1?= 0.59（?/當(dāng)瑞利數(shù)大于1091013時(shí)，努塞爾數(shù)由下式給出：1?= 0.1（?）3對(duì)流換熱系數(shù)則為:?=?參考

7、文獻(xiàn)：1F.P. Incropera, D.P. DeWitt, T.L. Bergman, and A.S. Lavine, Fundamentals of Heatand Mass Transfer, 6th ed., John Wiley & Sons, 2006.2 A. Bejan, Heat Transfer, John Wiley & Sons, 1993.5程序?qū)崿F(xiàn)本UDF程序適用于ANSYS19.1及其兼容版本，于壁面邊界中的熱對(duì)流邊界 中掛載。如有多段條件不一樣的管，直接復(fù)制粘貼宏，再改變條件即可。/這個(gè)UDfF1于計(jì)算水平管和豎直管自然對(duì)流換熱系數(shù)，掛載在

8、壁面的對(duì)流邊界上。#include "udf.h"real calrho(real t)/通過(guò)溫度計(jì)算空氣的密度 real rho11 = 1.1616, 0.99534, 0.87077, 0.77395, 0.69652, 0.63318, 0.58041, 0.53576, 0.49749, 0.46433, 0.43531 ;/ 儲(chǔ)存從 300博U800幽隔50K的密度值real j, k;int i, a, b;if ( t <= 300) /溫度低于300Kt接賦值 return (real)(1.1616);else if ( t > 300 &a

9、mp;& t < 800) / 溫度在 300KBU 800空間就插值 i = ( int )( t)-300) / 50;/尋找區(qū)間下界，并映射到數(shù)組編號(hào)j = fmod( t - 300) - (i * 50), 50);/ 尋找區(qū)間位置a = i; /下界數(shù)組編號(hào)b = i + 1;/上界數(shù)組編號(hào)k = (rhob - rhoa) / 50;/ 斜率return (real)(rhoa + j * k);線性插值elsereturn (real)(0.43531);/ 溫度超 800Ktt值real callambda(real t) /線性計(jì)算空氣的導(dǎo)熱系數(shù) if ( t

10、 <= 300) return (real)(0.026384);else if ( t > 300 && t < 800)return (real)(0.026384 + ( t - 300) * 0.00006173);else return (real)(0.057249); real calu(real t)/線性計(jì)算空氣的動(dòng)力粘度 if ( t <= 300) return (real)(0.000018537);else if ( t > 300 && t < 800)return (real)(0.0000185

11、37 + ( t - 300) * 3.76666e-8);else return (real)(0.00003737);real cala(real t)/線性計(jì)算空氣的體積膨脹系數(shù) if ( t <= 300) return (real)(0.003342);else if ( t > 300 && t < 800)return (real)(0.003342 - ( t - 300) * 4.1846e-6);else return (real)(0.00125); DEFINE_PROFILE(horizontalcoeff, t, i) real D

12、, tf, t2, t3, rho, lambda, u, v, a, Gr, Pr, Ra, Nu;face_t f;/user inputD = 0.518; /外壁面直徑，特征長(zhǎng)度t3 = 288.15; /自由流溫度，跟GUI的一致/end of user inputbegin_f_loop(f, t) t2 = F_T(f, t);/獲取外壁溫度if (t2 < (t3 + 10)只計(jì)算加熱壁面，且溫差太小的不計(jì)算F_PROFILE(f, t, i) = 0;else tf = (t2 + t3) / 2;/ 定性溫度rho = calrho(tf); / 空氣的密度 lamb

13、da = callambda(tf); / 空氣的導(dǎo)熱率 u = calu(tf); /空氣的動(dòng)力粘度v = u / rho; /空氣的運(yùn)動(dòng)粘度Pr = 0.7; /空氣的普朗特?cái)?shù) a = cala(tf); /空氣的體積膨脹系數(shù)/格拉曉夫數(shù)Gr = (9.81 * a * (t2 - t3) * pow(D, 3) / (v * v);Ra = Gr * Pr; / 瑞利數(shù)if (Ra >= 1e4 && Ra < 1.5e8)/橫圓管外自然對(duì)流層流公式Nu = 0.48 * pow(Ra, 0.25);/ 努塞爾數(shù)else if (Ra >= 1.5e8)

14、 /橫圓管外自然對(duì)流湍流公式Nu = 0.1 * pow(Ra, 0.333333333333333);/ 努塞爾數(shù)elseError( "Out of range!n" ); /既不是層流也不是湍流，瑞利數(shù)超出范圍，程序停止F_PROFILE(f, t, i) = (Nu * lambda) / D; / 對(duì)流換熱系數(shù) end_f_loop(f, t) DEFINE_PROFILE(verticalcoeff, t, i) real H, D, tf, t2, t3, rho, lambda, u, v, a, Gr, Pr, Ra, Nu; face_t f;/user

15、 inputH = 3.55; /豎直管高度，特征長(zhǎng)度D = 0.518; /外壁面直徑t3 = 288.15; /自由流溫度，跟GUI的一直 /end of user input begin_f_loop(f, t) t2 = F_T(f, t);/外壁面溫度if (t2 < (t3 + 10)只計(jì)算加熱壁面，且溫差太小的不計(jì)算F_PROFILE(f, t, i) = 0; else tf = (t2 + t3) / 2;/ 定性溫度rho = calrho(tf); / 空氣的密度 lambda = callambda(tf); / 空氣的導(dǎo)熱率 u = calu(tf); /空氣的動(dòng)力粘度 v = u / rho; /空氣的運(yùn)動(dòng)粘度 Pr = 0.7; /空氣的普朗特?cái)?shù) a = cala(tf); /空氣的體積膨脹系數(shù)Gr = (9.81 * a *