流体横掠管束模拟中壁面函数影响研究
_流体横掠管束模拟中壁面函数影响研究_流体横掠管束模拟中壁面函数影响研究
茹卡乌斯卡斯等人对横掠管束有较为成熟的研
究 , 得出了一套在很宽 Pr数变化范围内便于使用的 流体横 掠管束 平均表 面传 热系 数计 算关 联式 [ 2] 。
本研究中 , 雷诺数定义为 :
Re=ρud/μ
(1)
式 (1)把管束整个深度之内的液流平均温度作
为计算的定性温度 , 在该温度下取流体密度 ρ, 动力
2 横掠管束的数值模 拟
2.1 数学物理模型 管壳式换热器中 , 壳程流体经过折流板窗口区
后横向冲刷管束 , 横掠管束的流动在现代工业中有
着广泛的应用 , 如锅炉的省煤器 、空气预热器 、再热
器等均是由相当规模的管束组成的 。 因此本研究选 取典型的匀速来流横掠管束作为研究对象 , 考察不
同的壁面函数处理对数值计算结果的影响 。
有网栅的稳定段 , 以展平其速度场 , 并利用网子消减
液流的湍流度 。试验段中 , 管束和热量表都装在固
定于沟道壁上的导向装置内 。根据茹卡乌斯卡斯等
人的横掠管束的实验模型 , 做出合理的假设和简化 ,
并考虑到网格数量对计算机硬件的要求 , 模拟时仅
考虑 6排换热管 , 且为叉排布置 , a=s1 /d取 1.375, b =s2 /d取 1.19;流体从下向上横掠管束 , 不考虑重 力的影响 , 为与实验相一致保证进口匀速 , 则使进口
改进湍流模型 , 使黏性影响的近壁区域 , 包括层流底 层都可以求解 。大型 CFD软件 Fluent中 , 对于第一 种途径提供了 3种函数方法 :标准壁面函数 、非平衡 壁面函数以及增强壁面函数 。本研究仅考察换热器 模拟中常用的标准壁面函数和增强壁面函数对数值 模拟结果的影响 。
1 管壳式换热器数值模拟与实验验证
垂直上升管内液体横掠流动传热特性研究
垂直上升管内液体横掠流动传热特性研究胡志华1，杨燕华1，周芳德2(1上海交通大学机械与动力工程学院，中国上海，200030)(2西安交通大学多相流国家重点实验室，中国西安，710049)摘要：本文对单相水和单相油横掠流动时的平均换热特性进行了实验研究，对试验的结果进行了分析和讨论，并对实验数据进行关联，得到了垂直上升管内单相水和单相油横掠流动时的换热准则关系式。
结果表明，狭窄空间条件下的液体横掠柱体时换热对Re数的依赖，较大空问条件下的明显减小。
在相同折算液速情况下，水横掠柱体流动时的平均换热系数大约是油的2～3倍。
关键词：横掠流动；换热；实验研究前言在动力、石油、化工等工业部门的没备中，流体横掠管道中的障碍物流动是经常遇到的情形。
如管壳式和热管换热器中的流动、通过导热法测量油水比时流体横掠柱体的流动等，都需要对其流动与传热特性进行必要的研究。
前人对单相流体横掠各种形状柱体的流动时的传热特性进行了大量的实验研究，其中以研究空气或水横掠圆管流动的情形最多，但针对其他液体横掠柱体的流动传热规律研究则为数很少。
本文以此为研究对象，开展其流动和传热特性的研究，这将对系统的正确设计和优化，提高设备的运行经济性，具有明确的理论意义和工程实用价值。
实验系统和测量方法本文的实验工作是在动力工程多相流国家重点实验室的油气水三相流实验台上完成的，实验系统包括两大部分，实验回路和实验段。
加热与温度传感器测量系统将一根以恒定功率加热的金属棒插入到流动的流体中时，金属棒的热量要向流体扩散，壁面温度会下降。
由于油和水的定压比热、导热系数等热物性差别较大，当不同流量的油和水横掠加热的金属棒时，换热系数也会发生变化，金属棒的壁面温度下降会有不同。
基于这一传热机理，本文开展了对油和水横掠加热的金属柱体时的换热特性研究，本文采用的加热与温度传感器测量系统也是基于这一思想设计和制作出来的。
传热实验数据的处理方法本文采用的加热棒结构参见图1，流体在流经加热棒时会发生绕流。
茹卡乌斯卡斯横掠顺排管束的数值模拟与公式验证
茹卡乌斯卡斯横掠顺排管束的数值模拟与公式验证摘要：茹卡乌斯卡斯实验关联式在换热器的设计中有着广泛的应用。
针对茹卡乌斯卡斯研究流体横掠顺排管束流动与换热特性的实验段为原型，经过适当的简化，建立二维模型，运用大型CFD 软件Fluent 对该模型内流体的流动与换热特性进行了数值模拟研究。
将数值模拟结果与公式计算进行对比，并考察了因素进口速度、进口温度、换热管壁温及换热管外径对换热性能（努塞尔数）和使用茹卡乌斯卡斯公式进行计算的误差的影响。
关键词：数值模拟、横掠顺排管束、公式验证、Nu 数Abstract: Zhukauskas experimental correlation has been widely used in heat exchanger design. Fluid for Zhukauskas ACROSS LINE BUNDLE test section flow and heat transfer characteristics of the prototype, after appropriate simplification, to establish a two-dimensional model, using the Fluent CFD software in large model fluid flow and heat transfer characteristics of numerical simulation. The numerical results are compared with the formula, and examine the factors of inlet velocity, inlet temperature, the heat transfer tube wall temperature and the outside diameter of the heat transfer performance of heat transfer tubes (Nusselt number) and use Zhukauskas formula conducting impact error of calculation.Keywords: numerical simulation,ACROSS LINE BUNDLE formula ,Nu number流体外掠管束的流动比较复杂,其换热和流动特性主要采用实验数据和实验关联式进行预测。
des模型壁面函数
des模型壁面函数
壁面函数是在流体动力学中用来描述流体在靠近固体壁面处的速度和剪切应力的函数。
在湍流模拟中，由于计算空间的限制，无法直接模拟整个边界层区域，因此需要使用壁面函数来近似描述边界层内的流动特性。
DES（Detached Eddy Simulation）是一种湍流模拟方法，结合了雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）和大涡模拟（LES）的优点。
在DES方法中，湍流流动被分为两个部分：一个是通过RANS方程求解，用来模拟湍流边界层的粘性效应；另一个是通过LES方程求解，用来模拟湍流边界层的非粘性效应。
在DES模型中，壁面函数起到了关键的作用。
它们用来描述流体在靠近壁面处的速度、剪切应力和湍流涡旋的大小。
常见的壁面函数有三种形式：1. 等度剪切剪切应力壁面函数（Eq. Wall Functions）；2. 弱相对运动率壁面函数（Low-Reynolds-Number Wall Functions）；3. 计算插值壁面函数（Computational Interpolation Wall Functions）。
在DES模型中，通常使用等度剪切剪切应力壁面函数。
这种壁面函数假设在壁面附近存在一个层状区域，该区域内的流动速度与剪切应力的分布呈线性关系。
通过将流体运动方程中的涡粘性项进行近似，可以得到壁面函数表达式。
DES模型壁面函数的具体形式和参数设置会根据具体的模拟问题而有所不同。
一般来说，需要根据流场的湍流强度、网格分
辨率等因素进行合理选择和调整。
在实际应用中，可以通过验证和比对实验数据来评估和改进壁面函数的准确性和适用性。
CFD中的壁面函数是怎么回事？
CFD中的壁面函数是怎么回事？近壁区域流体变量具有较大的梯度，因此对近壁区域的精细模拟基本上可以决定壁面流（wall-bounded flow）的结果是否成功。
大部分高雷诺数湍流模型，如kepsilon湍流模型、雷诺应力模型、LES模型，仅仅适用于离开壁面一定距离的湍流区域。
在高雷诺数区域，层流粘度相对于湍流粘度可以忽略不计。
然而在壁面区域附近，比如粘性之层中，雷诺数很低。
因此在这一部分区域需要考虑层流粘度的影响。
Spalart-Allmaras和komega湍流模型在壁面网格足够细化的情况下，可以适用于全雷诺数范围的流动。
对于kEpsilon模型，其中适用于粘性支层的kepsilon模型称之为低Re-kepsilon模型。
低雷诺数kepsilon湍流模型需要在粘性支层以及缓冲层内布置20个左右网格节点。
三维情况下，低雷诺数kepsilon湍流模型需要耗费大量的计算资源在近壁区。
如果采用传统的高Re数ke模型来计算，对于壁面附近区域，需要采用壁面函数法。
壁面函数的精髓在于，在那些流体变量梯度较大的近壁区域，不需要进行求解。
然而，壁面函数不适用于求解区域各处的雷诺数均较低的情况。
在使用壁面函数的时候，壁面的第一层网格需要布置在湍流边界层内，同时需要布置在足够旺盛的湍流区内。
例如log区是很好的选择。
如下图所示。
上图中，我们的网格节点Up便布置在log区。
这样便节省了粘性支层过密网格带来的资源消耗。
同时，我们还需要确保网格节点不能布置的太远。
那么在CFD计算前，如何能粗略的获取第一层网格高度的值呢？1. 首先我们需要管壁的摩擦因数，其大体可以这样计算：•内流：Cf=0.079Re^-0.25•外流：Cf=0.058Re^-0.22. 在获取Cf之后，计算壁面剪切力τ_w=0.5 Cf ρ U^23. 计算摩擦速度u_τ= (τ_w/ρ)^0.54. 第一层网格高度为h=(y+ μ)/(ρ u_τ)上面只是简单几何的情况下，第一层网格高度的计算公式。
大涡模拟壁面函数wener
大涡模拟壁面函数wener大涡模拟（LES）是一种高保真度流动模拟方法，适用于计算高雷诺数下的湍流流动，常用于工程应用中的气体和液体流动。
而壁面函数也是LES模拟中一个重要的问题，因为在现实流动中，壁面附近的细节变化对整个流场的影响非常重要。
这篇文章将介绍LES中涉及到的壁面函数wener，以及其特点和应用。
1、壁面函数概述壁面函数是一种通过数学公式来描述流体流经固体壁面附近流动的方法。
在LES计算中，由于涡模拟的栅格大小要比实际物理尺度小得多，因此需要壁面函数来描述栅格内的流动，提高模拟精度。
壁面函数通常包括平均速度和摩擦应力模型，能够模拟近壁区域的速度和摩擦应力分布。
2、wener壁面函数wener壁面函数是一种常用的LES壁面函数，由Popovac和Hanjalic （WEN model)在1989年提出，并在1999年被Weller、Tabor、Jasak等人进行了修正，称为WEN-TAB。
wener壁面函数可以分为两部分：内部和外部。
内部可以用logarithmic函数表示，外部可以用指数函数表示。
wener壁面函数适用于气体和液体流动，可以通过修正来适应不同的流动条件。
3、 wener壁面函数的特点wener壁面函数的主要特点可以总结为以下几点：（1）适用范围广：wener壁面函数适用于各种流动条件，包括气体和液体流动。
（2）高精度：wener壁面函数使用logarithmic和指数函数来表示壁面内外的流动，能够高精度地描述流场中的速度和摩擦应力分布。
（3）易于实现：wener壁面函数的公式比较简单，容易实现，并且可以通过修正来适应不同的流动条件。
（4）计算效率高：wener壁面函数的计算效率高，对模拟结果的影响也比较小，能够提高模拟速度和精度。
4、wener壁面函数在工程应用中的应用wener壁面函数在工程应用中广泛使用，例如汽车、航空、机械等领域的气流模拟，以及海洋、河流等领域的水流模拟。
lbm 壁面函数
lbm 壁面函数
LB还原壁模型（LBMs）是计算流体动力学（CFD）中常用的一种技术。
它是一种基于格子的方法，用于模拟流体在不同壁面上的行为。
壁面函数是在模拟流动中用于处理流体靠近墙壁时的边界条件的一种方法。
LBMs中常用的壁面函数可以分为三类：无滑移壁面函数、局部滑移壁面函数和全局滑移壁面函数。
无滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁完全相同，即不存在流体相对于墙壁的滑移。
这种壁面函数通常用于模拟流体与固体物体的接触，比如墙壁或管道。
局部滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁之间存在一定的滑移，但滑移速度与墙壁上的切应力有关。
这种壁面函数通常用于模拟流体与粒子之间的相互作用，比如颗粒浆料中的流体与固体颗粒之间的接触。
全局滑移壁面函数是指流体在墙壁上的速度与墙壁之间存在一定的滑移，但滑移速度与墙壁上的切应力无关。
这种壁面函数通常用于模拟流体在微纳尺度上与墙壁之间的相互作用，比如纳米尺度上流体在固体表面的滑移行为。
在LBMs中，选择适当的壁面函数对于准确模拟流体在不同壁面上的行为非常重要。
根据具体的应用需求和模拟对象的特性，可以选择合适的壁面函数来处理流体与墙壁的相互作用，以获得准确的模拟结果。
lbm壁面函数
lbm壁面函数在流体力学中，壁面函数是一种用于描述无粘流体在靠近壁面区域的速度剖面与壁面摩擦力之间关系的方法。
对于高雷诺数的流动问题，壁面附近的流场通常由于粘性效应而变得复杂，这使得直接求解Navier-Stokes方程变得困难。
为了简化问题，研究人员引入了壁面函数的概念，通过适当的近似方法来描述壁面附近的流场。
在传统的壁面函数中，通常采用标量形式的壁面函数，其中最著名的例子是Prandtl壁面函数。
Prandtl壁面函数的定义如下：f(y) = \frac{u(y)}{u_\tau}其中，f(y)是相对壁面距离为y处的无量纲速度，u(y)是y处的流体速度，u_\tau是壁面摩擦速度。
Prandtl壁面函数的重要性在于其与流场的摩擦力之间存在着线性的关系，即：\tau_w = \rho u_\tau^2 = \mu \frac{u_\tau}{\delta} = \mu\frac{u_\infty}{\delta^*} f(0)其中，\tau_w是壁面的摩擦应力，\rho是流体的密度，\mu是流体的动力粘度，u_\infty是远离壁面处的速度，\delta是壁面附近的速度边界层厚度，\delta^*是相对壁面距离的尺度。
接下来，我们将讨论壁面函数在不同的流动情况下的应用。
首先，壁面函数可以用于计算湍流流动中的壁面摩擦系数。
在湍流流动中，流体速度分布通常由壁面附近的速度剖面来描述，而不再使用平行流的假设。
通过测量壁面附近速度剖面的相关参数，如壁面摩擦速度和速度边界层厚度，可以利用壁面函数来计算壁面摩擦系数，从而对湍流流动进行定量描述。
其次，壁面函数可适用于计算湍流流动中的壁面摩阻损失。
壁面摩阻损失是湍流流动中能量的直接损失，它是与壁面摩擦力成比例的。
通过使用壁面函数，可以计算出不同雷诺数下的壁面摩阻损失，从而为优化流体系统的设计提供参考。
此外，壁面函数还可应用于湍流模拟的数值计算中。
在求解Navier-Stokes方程时，壁面附近的边界条件往往需要特别处理。
壁面函数 correlation
壁面函数(correlation)是指在汽车、飞机、船舶及其它工程上，流体粘性剪切应力与与壁面的相互作用。
在流体动力学和传热学中具有重要意义。
一、壁面函数的定义壁面函数(correlation)是描述壁面附近流场物性参数变化的函数关系，它在计算流体流动特性时起到重要作用。
壁面函数的主要作用是用来计算物质在壁面附近的速度分布及各种参数关系的函数，以便在计算流场的数学模型中引入一些物性参数的变化，使得模型更符合实际情况。
二、壁面函数的研究意义1. 改善模型精度壁面函数的研究对于改善流体流动特性的计算模型精度具有重要作用。
在工程领域，尤其是在飞机、汽车等交通工具的设计中，对流体流动的精确计算往往能够带来更加合理和有效的设计方案。
2. 提高计算效率壁面函数的合理选取可以帮助提高流体流动特性的计算效率。
通过引入合适的壁面函数，可以简化数学模型，减少计算量，提高计算速度，从而更快地获得流场的物理性质参数。
3. 优化工程设计壁面函数的研究还可以帮助工程设计师更好地理解流体流动特性，以便优化工程设计。
通过对壁面函数的深入研究，可以提高对流体流动行为的理解，为工程设计提供更加准确的参考数据和理论依据。
三、壁面函数的应用领域壁面函数广泛应用于飞机、汽车、船舶等工程领域中。
在这些工程中，流体流动特性是设计过程中必须考虑的重要因素，而壁面函数的研究和应用则可以帮助工程师更好地理解和控制流体流动行为。
四、壁面函数的研究方法1. 实验方法壁面函数的研究可以通过实验来进行。
利用流体力学实验装置，观测流体在壁面附近的流动情况，获取相关数据，进行分析和总结，从而得出壁面函数的理论模型。
2. 数值模拟方法壁面函数的研究亦可通过数值模拟来实现。
利用计算流体动力学（CFD）等数值模拟方法，建立流体流动的数学模型，在其中引入壁面函数的影响，通过计算得出流体流动的各种参数，从而分析壁面函数的影响规律。
五、壁面函数的发展趋势随着科学技术的不断发展，壁面函数的研究也在不断深入。
壁函数对大气边界层数值模拟结果的影响
壁函数对大气边界层数值模拟结果的影响由于湍流边界层在靠近壁面区域存在动态的涡旋结构，所以在高雷诺数情况下大涡模拟(LES)要有非常高的分辨率，但是解决这些涡旋结构使得大涡模拟的计算量和直接数值模拟一样大。
为了避免这种情况，我们可以用壁函数来模拟近壁的网格，它在固体边界上给大涡模拟提供了近似边界条件，使大涡模拟在高雷诺数条件下可以增大网格分辨率。
本文的目的就是为了模拟不同壁函数对湍流边界层数值模拟结果的影响，模拟流动的控制方程为纳维斯托克斯方程。
模拟采用全隐式的解耦方法,在LU分解和近似分解的基础上，速度项和压力项被解耦，同时保留了时间二阶精度。
在未加壁函数时，文章中使用了两种不同的亚格子模型分析了不同亚格子模型对湍流边界层数值模拟结果的影响，最后分析了不同壁函数、不同网格对结果的影响，并且将得到的结果与Lee和Moser的结果进行对比，使湍流边界层的模拟更加准确，并将结果推广到了大气边界层。
1.1 壁面模型介绍模拟流体流动在工程设计和分析中具有重要的应用价值。
因为层流的流动特征在时间和空间上的尺度非常小，而湍流的流动特征相对层流而言较大，所以模拟层流到湍流的转换过程是很困难的，这对动态流动的精确模拟产生了很大的阻碍。
在直接数值模拟的过程中，不需要添加其他模型就可以解决所有尺度的流动，但如果要模拟整个流动过程，所需的网格点非常多。
为了减少直接数值模拟的计算量，发展出了一种新的数值模拟方法——大涡模拟错误!未找到引用源。
，通过对湍流进行低通滤波，计算量显著减小，但是经过过滤，大涡模拟消除了许多小尺度结构。
从物理和工程学的角度来看，高频信息对实际问题的重要性不大，但是，它所携带的物理信息对流动的发展有重要影响，所以要对高频信息建立模型来模拟其对大涡模拟的影响，这种模型叫做亚格子模型。
目前已经发展出了许多有效的模型和方法错误!未找到引用源。
应用亚格子模型后，大涡模拟可以准确地应用于多种流动状态。
但是在近壁区域，因为流动是粘性的，所以亚格子模型在近壁区域不太准确，除此之外，这个区域的流动结构趋于各向异性，而亚格子模型主要用来对各向同性涡进行建模，各向同性涡只代表一小部分的总能量流，他们不能精确代表壁面附近的湍流应力，所以要解决近壁剪切应力产生的涡旋结构，所需要的网格点非常多，这就使得大涡模拟的近壁分辨率与直接数值模拟一样高。
流体流动的壁面附加效应分析
流体流动的壁面附加效应分析引言流体力学是研究流体流动行为的科学，广泛应用于工程和科学领域。
在流体力学中，壁面附加效应是指当流体流动经过壁面时，会产生额外的效应，影响着流体流动的稳定性和性质。
本文将对流体流动的壁面附加效应进行深入分析。
壁面附加效应的定义在流体力学中，壁面附加效应是指在流体流动过程中，由于壁面的存在，额外的效应被引入到流体流动当中。
这些效应可以改变流体流动的速度、压力、湍流强度等性质。
壁面附加效应一般与壁面的粗糙度、形状、摩擦系数等因素有关。
流体流动的壁面附加效应分析1. 壁面粗糙度对流体流动的影响壁面的粗糙度是影响流体流动壁面附加效应的重要因素之一。
当壁面较为粗糙时，流体流动会在壁面上产生湍流层，增加摩擦阻力，使得流体流动阻力增大。
此外，壁面粗糙度还会影响流体流动的速度分布，使得流体流动更加复杂和不稳定。
2. 壁面形状对流体流动的影响壁面的形状也会对流体流动的壁面附加效应产生影响。
例如，壁面的弯曲程度和凹凸程度都会影响流体流动的速度和压力分布。
当壁面是光滑的，并且具有适当的曲率时，流体流动的壁面附加效应会减小，流体流动更加稳定。
3. 壁面摩擦系数对流体流动的影响流体流动的壁面附加效应还与壁面的摩擦系数密切相关。
壁面摩擦系数越大，壁面上的湍流强度越大，流体流动的阻力也会相应增加。
因此，在工程设计中，需要尽量减小壁面的摩擦系数，以减小壁面附加效应对流体流动的影响。
壁面附加效应的应用壁面附加效应在工程和科学领域有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 水力发电站水力发电站利用水流驱动涡轮产生电力。
在水力发电中，壁面附加效应对水流的流速和压力分布具有重要影响。
合理设计发电站的水轮机壁面可以提高发电效率。
2. 管道输送在管道输送过程中，壁面附加效应对液体或气体的流动性质至关重要。
合理设计管道壁面可以减小流体的阻力和能量损失，提高输送效率。
3. 航空航天工程在航空航天工程中，壁面附加效应对飞行器的空气动力学性能有着重要影响。
lbm壁面函数
lbm壁面函数LBM (Lattice Boltzmann Method) 是一种基于微观格子构建的流体模拟方法，常用于求解复杂的流体力学问题，特别是与壁面交互的问题。
在LBM中，流体被视为由格子上的离散粒子组成的，这些粒子之间通过碰撞和传输来模拟流体的宏观运动。
而壁面函数则是LBM中用来模拟流体与实际物体之间的交互作用的一种技术。
在LBM中，流体与壁面之间的交互过程可以通过壁面函数来描述。
壁面函数是一种用来模拟流体与壁面之间的交互力的函数。
其基本原理是根据流体碰撞粒子与壁面之间的相对速度，计算出每个碰撞粒子在碰撞后的反弹速度，并通过该速度来更新碰撞粒子的位置和速度。
壁面函数的计算可以分为两个步骤。
首先，根据流体中的碰撞粒子和壁面之间的相对速度，计算出每个碰撞粒子的反弹速度。
这个过程一般使用经验公式或者模型来计算，在不同的情况下可以选择不同的公式。
其次，根据反弹速度来更新碰撞粒子的位置和速度。
这个过程可以通过将反弹速度分解成法线方向和切向方向的速度分量，并将法线方向速度分量反向，切向方向速度分量保持不变，来完成碰撞粒子的位置和速度更新。
在LBM中，壁面函数的选择对模拟结果的准确性和稳定性有着重要的影响。
一个好的壁面函数应能够准确地模拟流体与壁面之间的交互作用，并能够保持模拟过程的稳定性。
对于不同类型的壁面，如平面壁面、凹凸壁面等，可以选择不同的壁面函数来模拟其交互过程。
同时，需要根据具体的模拟问题，合理地选择壁面函数中的参数，以达到最佳的模拟效果。
除了壁面函数以外，LBM中还有一些其他的技术可以用来模拟流体与壁面之间的交互作用。
例如，可使用边界条件来约束流体在壁面处的速度和压力，以模拟流体在壁面上的粘附和滑移行为。
此外，还可以使用迷走模型来模拟流体在壁面上的倾斜或旋转等复杂运动。
总结来说，LBM中的壁面函数是一种用来模拟流体与实际物体之间交互作用的技术。
它通过计算流体中的碰撞粒子与壁面之间的相对速度，来更新碰撞粒子的位置和速度，从而模拟出流体与壁面的交互过程。
lbm壁面函数
lbm壁面函数LBM（Lattice Boltzmann Method，格子玻尔兹曼方法）是一种流体模拟方法，主要用于求解复杂流体流动问题。
而壁面函数则是在LBM中用于模拟流体与固体壁面之间相互作用的一种技术。
在流体流动中，与固体壁面接触的流体层在密度和速度方面会发生明显的变化。
传统的LBM对于固体壁面边界条件的处理通常是通过在边界上施加一定的速度或密度来模拟对壁面的作用。
然而，这种方法往往会引入很多的人工参数，且对于复杂的壁面场景并不总是适用。
为了解决这个问题，LBM发展出了一种称为壁面函数的技术。
壁面函数的基本思想是在流场中引入虚拟的壁面层，通过在该层上施加一定的边界条件来模拟流体与壁面之间的相互作用。
壁面函数的引入有效地改变了传统LBM边界条件处理的方式，使其更加适用于复杂的壁面场景。
壁面函数的具体实现方式通常是在LBM的碰撞步骤中引入一些修正项或者对碰撞后的分布函数施加一定的限制条件。
这些修正项或限制条件通常被称为壁面函数，它们的作用是模拟流体与壁面之间的微观相互作用，从而使得流场在壁面附近的模拟结果更加准确。
壁面函数可以分为两种类型，分别是单层壁面函数和多层壁面函数。
单层壁面函数通常是在流场中引入一个虚拟的壁面层，通过在该层上施加修正项或者限制条件来模拟流体与壁面之间的相互作用。
多层壁面函数则是在壁面附近引入多个层次的壁面函数，以更加准确地模拟流体与壁面之间的微观相互作用。
此外，壁面函数的选择还要考虑壁面的材质和几何形状。
不同的壁面材质对流场的影响不同，因此需要根据具体情况选择相应的壁面函数。
对于复杂的几何形状，可以采用多层壁面函数的方法，通过逐层修正来模拟流体与壁面之间的相互作用。
总之，LBM中的壁面函数是模拟流体与固体壁面相互作用的一种技术。
它通过在流场中引入虚拟的壁面层，并对该层施加一定的边界条件来模拟流体与壁面之间的微观相互作用。
壁面函数的选择应根据具体情况考虑壁面的材质和几何形状，以获得更准确的模拟结果。
流体流动中的界面现象与表面效应研究
流体流动中的界面现象与表面效应研究引言流体力学是研究流体运动规律的学科，其中包括了流体流动的各种现象和现象背后的机理。
流体流动中的界面现象和表面效应作为流体力学领域的重要研究方向，对于理解和预测流动行为具有重要意义。
本文将深入探讨流体流动中的界面现象和表面效应的研究现状和未来发展趋势。
界面现象表面张力表面张力是液体分子间作用力在液体表面产生的结果。
在界面上，由于分子与分子之间没有完整的相邻分子，所以表面上的分子受到的分子相互作用力要比在体内的分子少。
这种不对称的分子相互作用力导致了表面张力的存在。
表面张力可导致液体表面收缩，形成一定的曲面形态。
表面张力现象广泛存在于自然界和工程实践中，对于一些生物现象和工艺现象具有重要影响。
毛细现象毛细现象是一个流体力学中非常基本的界面现象，它描述了液体在细直管或细孔中的涌动行为。
毛细现象的研究不仅能够揭示液体流动的基本规律，还可以应用于地质勘探、现代微流体技术等领域。
毛细现象的研究对于理解和改进微尺度下的流体控制和传输行为具有重要意义。
界面电荷效应界面电荷效应是流体界面上电荷传输和分布的结果。
在一些情况下，当液体界面上存在电荷离子时，由于电荷的吸引和排斥作用，液体中的流动行为将发生显著变化。
界面电荷效应的研究不仅可以解释一些生物体内的电动力学现象，还可以应用于电化学技术、生物传感器等领域。
双层界面行为双层界面行为指的是液体界面上同时存在两种不同的分子层。
这种双层结构可以通过界面活性物质的添加来实现，例如表面活性剂。
双层界面行为对于一些化学反应和界面的动态行为具有重要影响。
双层界面行为的研究可以为化学工程和生物化学领域的技术发展提供理论和实验基础。
表面效应润湿现象润湿现象是指液体与固体界面接触时的现象。
润湿行为可以被描述为液体在固体表面的浸润和扩张行为。
润湿现象在许多工业和生物领域都具有重要作用。
在润湿现象研究中，表面能和表面特性是其中的重要因素。
界面扩散界面扩散指的是两种或多种不同的液体在界面上的相互扩散行为。
含微小颗粒气流横掠圆管束表面的沉积特性
含微小颗粒气流横掠圆管束表面的沉积特性唐婵;张靖周【摘要】基于欧拉-拉格朗日粒子追踪模型和干燥粒子的沉积机制,采用Fluent-CFD软件和自编微粒沉积用户程序对含微小颗粒的气流横掠3×3阵列圆管束表面的粒子沉积特性进行数值研究.研究结果表明:随着粒径或进气气流速度增加,颗粒在管束表面的碰撞率增加,但黏附率降低;管排方式对小粒径颗粒影响较小,对大粒径颗粒影响较大;当粒子直径达到某一值后,尽管对壁面的碰撞能力加剧,但几乎不形成沉积.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(046)012【总页数】7页(P4679-4685)【关键词】飞灰颗粒;气-固两相流动;管束;沉积模型;数值模拟【作者】唐婵;张靖周【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京,210016;南京工程学院能源与动力工程学院,江苏南京,211167;南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TK121工业余热资源的高效利用是国内外广泛关注的问题，其中烟气余热量大，温度分布范围及其分布广。
工业用换热器在这样的环境中运行往往面临着表面的飞灰颗粒沉积问题。
飞灰颗粒沉积在换热器管壁上将导致换热器性能恶化，严重影响换热器的换热效能甚至危害动力装置的运行可靠性[1−2]。
飞灰颗粒的扩散和沉积与成灰物质的赋存形态、积灰局部区域工况条件密切相关。
众多研究人员从力学、动量和能量等方面揭示了飞灰颗粒与壁面之间相互作用机理[3−4]，提出了多种描述颗粒与壁面撞击形成的黏附、反弹和散射等物理模型，并建立了相应的粒子沉积模型，其中，Soltani等[3]提出的基于粒子临界速度的沉积模型被众多研究者采用并加以发展[5−6]，该模型可以体现出粒子沉积过程中黏附、反弹和剥离机制。
在换热器结构型式中，管束式换热器的应用十分广泛[7−8]。
在针对管束式换热器开展强化传热研究的同时，换热器表面飞灰沉积的研究也引起研究者的关注。
管束式换热器导流结构数值模拟研究与优化设计
管束式换热器导流结构数值模拟研究与优化设计张承虎;魏继宏;范丽佳【摘要】采用计算流体力学方法,建立进口带导流结构的叉排管束式换热器的CFD 模型,分别模拟了换热器入口流速为15、30、46 m/s时,导流结构及叉排管束间的流场分布.以前4排管束间截面的速度标准差为流场均匀性判断依据,研究换热器入口变径长度以及内导流结构进出口尺寸对换热器内部流场均匀性的影响.结果表明:在模拟范围内,随着换热器入口流速减小,热器入口变径长度系数λ最优值减小,导流入口结构比值H1/Wi最优值增加,导流出口结构比值H2/H0最优值减小.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2019(048)003【总页数】7页(P34-40)【关键词】换热器;叉排管束;导流结构;数值模拟;流场优化【作者】张承虎;魏继宏;范丽佳【作者单位】哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江哈尔滨 150090;哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江哈尔滨 150090;哈尔滨工业大学建筑学院,黑龙江哈尔滨150090【正文语种】中文【中图分类】TQ053.20 前言在锅炉余热回收系统中，空气横掠管束有着广泛的应用。
另外，锅炉中的省煤器、空气预热器等中也存在大量管束[1]。
换热器导流结构具有均匀分布流体、减轻流体对换热管冲蚀、强化传热的作用[2]。
合理布置导流结构可使换热器内部流场均匀性提高，增强换热效果。
黄德斌等[3]采用3 种计算模型：标准k-ε 模型、RNG 模型和可实现k-ε模型对气流横向冲刷管束换热进行数值模拟，得到不同雷诺数下所适用的计算模型。
潘维等[4]通过CFD 技术，模拟了空气横掠管束的流场，结果表明，对于顺排管束，经过5 排管子，流速就较为均匀；对于叉排管束，只要经过4排管子，流速就较为均匀。
戴伟等[5]对空气横掠叉排管束进行了二维数值模拟，得到了管束内部流场和压力分布。
周津炜等[6]用多孔介质模型代替换热器管束，对锅炉通流结构的流场进行了三维数值模拟，得出烟道内的流场分布，并分析了不同导流结构对流场的影响。
茹卡乌斯卡斯横掠顺排管束的数值模拟与公式验证分析
茹卡乌斯卡斯横掠顺排管束的数值模拟与公式验证摘要：茹卡乌斯卡斯实验关联式在换热器的设计中有着广泛的应用。
针对茹卡乌斯卡斯研究流体横掠顺排管束流动与换热特性的实验段为原型，经过适当的简化，建立二维模型，运用大型CFD 软件Fluent 对该模型内流体的流动与换热特性进行了数值模拟研究。
将数值模拟结果与公式计算进行对比，并考察了因素进口速度、进口温度、换热管壁温及换热管外径对换热性能（努塞尔数）和使用茹卡乌斯卡斯公式进行计算的误差的影响。
关键词：数值模拟、横掠顺排管束、公式验证、Nu 数Abstract: Zhukauskas experimental correlation has been widely used in heat exchanger design. Fluid for Zhukauskas ACROSS LINE BUNDLE test section flow and heat transfer characteristics of the prototype, after appropriate simplification, to establish a two-dimensional model, using the Fluent CFD software in large model fluid flow and heat transfer characteristics of numerical simulation. The numerical results are compared with the formula, and examine the factors of inlet velocity, inlet temperature, the heat transfer tube wall temperature and the outside diameter of the heat transfer performance of heat transfer tubes (Nusselt number) and use Zhukauskas formula conducting impact error of calculation.Keywords: numerical simulation,ACROSS LINE BUNDLE formula ,Nu number流体外掠管束的流动比较复杂,其换热和流动特性主要采用实验数据和实验关联式进行预测。
横掠紧凑叉排管束流动的数值模拟与分析
横掠紧凑叉排管束流动的数值模拟与分析戴伟;刘应征【摘要】本文对横掠紧凑叉排管束二维流动进行了数值模拟,获取了管束内部流场速度及压力分布.计算结果表明,对于紧凑管束(s/d<1.12),流体在经过第一排管束以后流场速度分布已趋于稳定.随着雷诺数的增加,管束背面出现反向流动的漩涡,阻塞过流通道,引起管束两端压差的上升.此外,本文通过分析不同间距管束流动(s/d=1.04～1.12)在多个雷诺数条件下(Re=730,1460,2190,2920)阻力损失的变化特征,发现管束流动损失水平与雷诺数呈指数为1.6～1.77的幂函数关系.在较高雷诺数(Re=2920)下,随着管束间距的减小,其阻塞效果急剧增加.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】4页(P107-110)【关键词】紧凑管束;压力损失;计算流体力学;湍流【作者】戴伟;刘应征【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院动力机械及工程教育部重点实验室,上海,200240;上海交通大学机械与动力工程学院动力机械及工程教育部重点实验室,上海,200240【正文语种】中文【中图分类】TP3910 引言横掠管束流动在工程上有着广泛的应用。
锅炉中的省煤器，预热器，再热器以及核反应堆的燃料棒，甚至汽轮机和燃气轮机的刷式密封都可以看成是由管束流动系统。
显然，了解不同布置形式的管束内部流场特征及压力损失水平与管束间距和雷诺数等参数之间的关系对相关工程应用很有帮助。
针对横掠管束流动的数值模拟研究很多。
潘维等人在2004年对管距s/d＝1.5～2的横掠管束流动进行了数值模拟，通过比较不同管束排列方式对气流的影响，得到叉排管束对流动的扰动比顺排管束更为强烈，且随着管束间距的增大，其扰动逐渐减弱。
wang在2006年数值模拟了管距s/d=1.4的叉排管束流动，很好地预测了边界层分离点的位置。
Liang 等人在2007年对管距s/d=1.6的叉排管束内部流动的涡脱落特性进行了大涡模拟，计算结果与激光多普勒实验测量结果吻合良好。
lbm 壁面函数
lbm壁面函数LBM壁面函数1.介绍LBM（Lattice Boltzmann Method，格子玻尔兹曼方法）是一种基于统计物理原理的流体动力学计算方法。
在模拟流动过程中，边界条件的处理对结果的准确性和稳定性起着至关重要的作用。
而壁面函数就是用来描述流体与固体壁面之间相互作用的数学模型。
2.壁面函数的作用壁面函数主要用于处理流体在固体壁面处的流动特性。
它能够描述流体在靠近壁面处的速度分布、压力分布以及其他与壁面相互作用的物理量。
通过采用适当的壁面函数，可以准确地模拟流体在壁面处的运动行为，从而提高模拟结果的准确性。
3.常用的壁面函数在LBM中，常用的壁面函数有以下几种：3.1.No-slip壁面条件No-slip壁面条件是指流体在固体壁面处的速度为零。
这种壁面函数适用于绝大多数的流动问题，特别是对于粘性流体来说，No-slip 壁面条件是一个很好的近似模型。
3.2.强迫速度壁面条件强迫速度壁面条件是指固体壁面上的流体速度被指定为一个给定的值。
这种壁面函数常用于流体与可移动壁面的相互作用，例如流体与活塞的相互作用。
3.3.自由滑移壁面条件自由滑移壁面条件是指固体壁面上的流体粒子在法向方向上的速度分量为零，而在切向方向上的速度分量可以与周围的流体自由滑动。
这种壁面函数适用于流体在粗糙壁面上的流动模拟。
4.壁面函数的实现在LBM中，壁面函数的实现一般通过在离散速度模型（DVM）中进行修正来实现。
通过引入修正因子或调整速度分布函数的边界值，可以模拟不同类型的壁面函数。
5.总结在LBM模拟中，壁面函数是处理流体与固体壁面交互的重要工具。
通过选择合适的壁面函数，可以准确地模拟流体在壁面处的运动行为，从而提高模拟结果的准确性。
在实际应用中，根据不同流动问题的特点选择适当的壁面函数是至关重要的。
FLUENT中壁面函数-vs-近壁面模型
FLUENT中壁面函数 vs 近壁面模型在数值模拟中，如何有效处理固体壁面附近的流场一直是一个比较棘手的问题.一个稍复杂一点算例，简单更换一下壁面处理方法对计算结果都有较显著的影响，在缺少实验数据验证和流场涉及多种流动形态时,如何选择行之有效和经济合理的算法是一个艰难的考验，一般需要仔细考察流场与算法机理之间的契合度。
边界层分为层流边界层和湍流边界层，层流边界层为最靠近壁面或者层流流动时的边界层，对于一般湍流流动，两种边界层都有。
按参数分布规律划分时，边界层分为内区和外区，内区分为:粘性底层,Laminar sublayer(y+<5，Amano的三层模型),粘性起主导作用，在粘性支层中与壁面平行的速度与离开壁面的距离成线性关系（陶文铨,《数值传热学》）;过渡层,Buffer region（5〈y+<30），湍流作用与粘性作用共同作用;对数律层，Log—law region（30〈y+），湍流起主导作用，无量纲速度与温度分布服从对数分布律；外区：惯性力主导，上限取决于雷诺数图1 边界层结构（引自中科大Fluent讲稿）FLUENT中有两种方法处理近壁面区域：A.壁面函数法。
不求解粘性影响内部区域（粘性子层及过渡层），使用一种称之为“wallfunction”的半经验方法去计算壁面与充分发展湍流区域之间的粘性影响区域.采用壁面函数法,省去了为壁面的存在而修改湍流模型.Fluent中的standard wallfunctions， scalable wall functions，Non—Equilibrium wall functions和Enhanced wall treatment都属于壁面函数法的模型。
B。
近壁模型法。
修改湍流模型以使其能够求解近壁粘性影响区域，包括粘性底层.此处使用的方法即近壁模型.（近壁模型不需要使用壁面函数，如一些低雷诺数模型，K—W 湍流模型是一种典型的近壁湍流模型）。
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第25卷第5期2010年9月热能动力工程J OURNAL OF ENG I N EER ING FOR THERMA L ENERGY AND POW ERVo.l25,No.5Sep.,2010收稿日期:2009-08-27;修订日期:2009-11-26作者简介:刘敏珊(1943-),女,河南郑州人,郑州大学教授,博士生导师.文章编号:1001-2060(2010)04-0497-04流体横掠管束模拟中壁面函数影响研究刘敏珊,杨帆,董其伍,谢建(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室,河南郑州450002)摘要:采用标准k-E湍流模型和增强壁面函数法对管壳式换热器进行数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。
对于匀速来流的理想横掠管束模型,考察标准壁面函数和增强壁面函数两种壁面处理方法对壁面修正的影响;同经典公式相比较,雷诺数R e为5000时采用标准壁面函数计算结果误差较大,而增强壁面处理模拟结果误差较小;Re为15000时,两种壁面函数计算结果吻合都较好。
采用增强壁面函数计算时,y+值对计算结果准确性有较大的影响,且增强壁面函数能够较好地考察近壁面的传热和流动特性。
关键词:管壳式换热器;横掠管束;数值模拟;壁面函数中图分类号:TK124;O369文献标识码:A引言管壳式换热器壳程流体的流动与传热相当复杂,且壳程流体的流动分布状态对换热器的总体性能有重要影响。
壳程的黏性流体在翻过折流板后横向冲刷管束,在换热管的迎流面部分层流边界层逐渐建立起来,其后在一定角度范围内边界层脱离并产生旋涡,显著地强化了传热。
对于典型的横掠管束茹卡乌斯卡斯等人有较为成熟的研究,得出了一套在很宽P r数变化值域内便于使用的流体横掠管束平均表面传热系数计算关联式。
随着计算机技术的提高以及计算流体力学和数值传热学的蓬勃发展,数值模拟方法已成为换热器研究的重要手段。
采用数值方法可以得到详细的流场及温度场分布,不仅直观、灵活、费用低、周期短,而且还能够处理较复杂的情况,并具有重复性。
标准k-E模型是典型的双方程模型,该模型是目前使用最为广泛的湍流模型,但其只针对充分发展的湍流才有效。
然而在壁面附近,流动情况变化很大,特别是在黏性底层,流动几乎是层流,湍流应力几乎不起作用,解决这一问题的途径目前有两个[1]:一是不用求解层流底层和混合区,采用半经验式(壁面函数)求解层流底层与完全湍流之间的区域;二是改进湍流模型,使黏性影响的近壁区域,包括层流底层都可以求解。
大型CFD软件F l u ent中,对于第一种途径提供了3种函数方法:标准壁面函数、非平衡壁面函数以及增强壁面函数。
本研究仅考察换热器模拟中常用的标准壁面函数和增强壁面函数对数值模拟结果的影响。
1管壳式换热器数值模拟与实验验证使用GAMB I T建立折流板管壳式换热器实体模型。
换热器为总长1940mm,筒体内径为151mm,折流板直径142mm,高110mm,厚4mm,折流板开孔直径为21.1mm,折流板间距为97mm;换热管为U19@2mm的管子,正方形排列。
实验中,壳程的流体介质采用常温下的空气,体积流量为120m3/ h,管程流体为过量饱和水蒸气,饱和水蒸气在管内等温冷凝放热,传热温度保持恒定。
模拟时,根据换热器结构及流动特性的对称性,可以只建立一半的换热器模型。
对网格的划分采用分块法并在管壁建立边界层,面网格采用三角形网格,扫描划分轴向网格,此法网格质量很好且数量相对较小。
模型导入Fl u ent后,采用标准k-E湍流模型模拟壳程流体流动和传热,分别使用标准壁面函数和增强壁面函数方法[8],设置与实验相一致的边界条件,数值模拟结果与实验结果相比较如表1所示。
表1管壳式换热器数值模拟结果的实验验证实验值模拟值标准壁面函数增强壁面函数流量/m3#h-1进出口温差/K压力降/Pa进出口温差/K压力降/Pa进出口温差/K压力降/Pa 12078.372176.862379.5684.4误差/%))-1.92-13.59 1.60-5.08热能动力工程2010年表1的误差为模拟结果相对实验结果的误差,可以看出,增强壁面函数和标准壁面函数处理对管壳式换热器壳程数值模拟的结果与实验值都吻合较好,且增强壁面函数更接近实验值。
2 横掠管束的数值模拟2.1 数学物理模型管壳式换热器中,壳程流体经过折流板窗口区后横向冲刷管束,横掠管束的流动在现代工业中有着广泛的应用,如锅炉的省煤器、空气预热器、再热器等均是由相当规模的管束组成的。
因此本研究选取典型的匀速来流横掠管束作为研究对象,考察不同的壁面函数处理对数值计算结果的影响。
茹卡乌斯卡斯等人对横掠管束有较为成熟的研究,得出了一套在很宽P r 数变化范围内便于使用的流体横掠管束平均表面传热系数计算关联式[2]。
本研究中,雷诺数定义为:R e =Q ud /L (1)式(1)把管束整个深度之内的液流平均温度作为计算的定性温度,在该温度下取流体密度Q ,动力黏度L ,u 为管束内最小流通截面上的平均流速,管径d 作为定性尺寸。
根据R e 的大小绕流工况可划分为R e <1@103的层流区间,1@103<R e <2@105的混合绕流区和R e >2@105的临界绕流区间。
在混合绕流区,对于大于16排的管束,换热管的平均表面换热系数计算关联式为:Nu =hdK =0.35(s 1s 2)0.2R e 0.6P r 0.36(Pr f Pr w)0.25(2)式中:s 1)横向管间距;s 2)纵向管间距,s 1/s 2[2。
对于小于16排的管束,乘以相应的管排修正系数E n 即得到相应的整个管束平均表面换热系数。
Fluent 程序中,定义无量纲距离:y +=Q u S y L ,y *=Q C L 1/4k p 1/2y pL(3)采用标准壁面函数的时候,在y *\11.225区域,平均速度满足对数率分布:U *=1kl n (Ey *)(4)在y *<11.225的区域,F l u ent 中采用层流应力应变关系,即:U *=y *(5)增强壁面函数建立在两层模型的基础上,对整个壁面区域拟定一个单一的壁面规则,由K ader 提出将线性分布的黏性底层和对数率层结合起来:u +=e #u+lam+e 1#u +tu r b(6)上述各参数的意义详见文献[3]。
茹卡乌斯卡斯对液体横掠管束的实验装置主要由内置换热器的储罐、稳压器和试验段、泵、测量和调节设备等组成。
液体从储罐出来,被送入一个装有网栅的稳定段,以展平其速度场,并利用网子消减液流的湍流度。
试验段中,管束和热量表都装在固定于沟道壁上的导向装置内。
根据茹卡乌斯卡斯等人的横掠管束的实验模型,做出合理的假设和简化,并考虑到网格数量对计算机硬件的要求,模拟时仅考虑6排换热管,且为叉排布置,a =s 1/d 取1.375,b =s 2/d 取1.19;流体从下向上横掠管束,不考虑重力的影响,为与实验相一致保证进口匀速,则使进口段尽量的短,可取s 2间距,出口长度为保证计算准确可取10倍的s 2;换热管的长度取50mm 便可以消除壁面对换热管的影响,由于对称性取一半建立理想的横掠管束模型,如图1所示。
在数值计算中,网格对计算结果有较大的影响;Fl u ent 程序中,采用不同的壁面处理,对网格有不同的要求。
对于标准壁面函数要求y *\11.225;对于增强壁面处理,由于在黏性底层采用单方程模型,对网格要求较高,一般要求y +约为1,当其在充分的黏性底层时y +不大于5,且在湍流雷诺数为200的近壁面区域至少有10个单元格[3]。
图1 横掠管束的理想物理模型y +和y *与近壁面第一层网格和雷诺数有关,在计算前不能准确得到y +、y *值,因此近壁面网格采用比较容易控制的边界层网格划分,调整近壁面第一层网格高度即可以改正y +和y *值。
在不断的试算后读取y +、y *,使其满足Fluent 程序的要求。
#498#第5期刘敏珊,等:流体横掠管束模拟中壁面函数影响研究2.2计算结果及分析2.2.1标准壁面函数计算将建立的模型导入Fl u en,t设定边界条件,换热管设定为277.15K的恒壁温,流体介质是286.15K 的水。
选择标准k-E湍流模型,近壁面处理选用标准壁面函数,速度和压力耦合的S I M PLE算法。
采用标准壁面函数的时候,Fluent约定要求y*\11. 225,即近壁面网格节点位于旺盛湍流区。
比较不同的y*对计算值的影响,如图2所示。
图2y*值与管排平均换热系数的关系茹卡乌斯卡斯计算关联式(2)(以下记为实验值)计算得到的是大于16排管的所有管束的平均表面换热系数h,对于小于16排的管束乘以相应的修正系数E n,管排为6的管束,有E n=0.942[4~5]。
图2中,g1,g2,,,g6为第一排管到第6排管,其位置如图1所示,图中的实验值为式(2)计算出的管束的平均换热系数;未考虑进口管排和出口管排与中间管排的不同。
对于模拟计算值,读取每排管的平均换热系数。
图2中,因第一排管的来流为匀速,换热系数相对是最小的;后面的几排管由于前面管排的扰动作用,换热系数都增加,但是到第三排开始,后面管排的换热系数都相差不大;对于最后管排,由于其后面没有换热管的扰动作用,换热系数相对其前一排有所下降。
同时看出当y*>30后有相差不大的计算结果,但是与实验值相比较都有较大的误差。
2.2.2增强壁面函数计算模型导入Fl u ent后,同标准壁面函数处理一样的参数设置,只是采用增强壁面处理,该函数要求考察y+值,接近壁面的底层网格划分对y+有较大影响;与图2一样,把不同的y+值下的模拟计算结果与实验值比较,结果如图3所示。
图3中,每排管平均换热系数的趋势与图2选用标准壁面函数模拟结果是相同的。
当y+约为1时,计算值与实验值相差最小;当y+<5时,模拟值都在实验值附近;当y+>5后,误差变大。
说明接近壁面的底层网格对计算结果有较大的影响,在y+约为1时与实验值最为接近[6]。
图3增强壁面函数与实验值比较考察网格的无关解,以及网格形式对计算的影响,对于边界层以外的面网格分别采用三角形和四边形网格,网格形状和密度改变导致网格数量改变,计算结果如表2所示。
表2不同网格对表面换热系数计算结果的影响(W/(m2#K))面网格太小四边形网格三角形网格0.20.30.50.20.30.51.0换热系数7980.077972.317931.527988.697986.937970.827861.8误差/%-3.3-3.4-3.89-3.2-3.22-3.41-4.74表2中的误差为模拟结果与式(2)计算值的相对误差,可以看出,采用三角形面网格和四边形面网格对计算的结果影响不大;由于三角形网格有较好的适应性,所以计算时面网格采用三角形,面网格尺寸选用0.5即可。