波纹管道传热问题简介

机械学院1206班 王栋 1200561
波纹管道传热问题
简介
背景和目的
CFD 能力是纳入一个额外的能量方程模仿流体流动。

基本热量和流体力学是一个成立多年的方向的研究。

然而,改进的传热方法，广泛应用于工业的热交换器,仍然为开发和CFD 模拟提供重要的见解。

模拟这个问题的目的:
1.创建一个由足够数量的完整的波浪组成的波浪通道作为开发流程。

2.使用周期边界条件创建一个波浪通道段。

3.探讨不同的湍流模型的影响和Wall 功能的解决方案。

4. 实施不变的表面温度以及不变表面的热流密度呈波浪状的Wall 和确定雷诺数和热稳定性之间的关系。

5. 比较和讨论模拟结果与实验结果。

计算
计算边界层开始的尺寸, y+
在这个任务中，y+赋值为1。

这保证壁面函数在通道中满足湍流。

y+的计算方式是:
v
y u y t =+ y+是边界层网格的起始尺寸，v 是动力粘度。

2
C u u f 0t =，2.0f Re 0359.02C -=L 。

雷诺数的计算公式: Re = v
uH U =入口速度 = 0.816 m/s (给定)
H = 入口高度= 1
V =运动粘度
其中, 运动粘度V = μ/ ρ
动态粘度 μ = 0.0001 kg/ms (给定)
密度ρ = 1 kg/m³ (给定)
因此 运动粘度V = 1000/1.0= 0.0001。

Re = v
uH Re =0.816*1/0.0001
因此雷诺数Re = 8160
因此，
2.0f Re 0359.02
C -=L = 0.0359 (2.08160- ) = 0.0059259
2
C u u f 0t = =0059259.0u 0
=0u （0.07698）
其中 0u = 0.816 m/s
t u =0u （0.07698）
=0.816*0.07698
=0.0628
v
y u y t =+ 1=0.0628*Y/0.0001
因此y = 0.00159 (边界层的起始尺寸)
y+ 讨论
在这个任务中，我们处理在波浪渠道中的wall-bounded 湍流。

记住，我们需要考虑y +值的影响因为湍流受Wall 存在的影响明显。

波浪的造型Near-wall 显著影响通道模型与数值解的保真度，Wall 的主要来源是湍流动荡。

因此，流入near-wall 区域的精确表现决定wall-bounded 湍流的成功预测。

通过大量实验，我们知道，near-wall 区域在很大程度上能被分为三层，也就是说，分为Inner layer,，Buffer layer and the Log-Law layer 三层。

内层被称为“粘性子层”，流量像层状的，在动量和热能或者质量传递中分子粘度状态中占据主导地位。

在Log-Law 层, 它被称为“fully-turbulent 层”，湍流强度占据主要地位。

在中间区域之间,我们所知道的缓冲层是一个结合，结合层的分子粘度和湍流的影响是同等重要的。

不同层的图表下面可以看到：
在这个特别的作业中，我们预料再循环流量在流域底部。

考虑到的输入速度较低，也是相当简单的几何学，一个小的y +值将给我们更多的精确模拟。

y+值赋予
为1，用来加强Wall功能。

near-wall壁面函数是提高建模方法模型模拟了一个双层结构,而不是采用三sub-layers先前提及。

在一个盒子里如果提高壁面函数是没有被使用,网格生成的靠近墙必须可以为了解决层流sub-layer y +价值的地方是典型的发现是在大约1个百分点。

这可能导致计算时间的增加,由于大量的网格,那将是产生。

为了达到精度以及减少计算时间,near-wall建模技术,可用于两粗糙和细网眼里,这个模型将是令人不满意的。

利用提高WALL的流利作用;我们可以达到near-wall建模技术因此我们可以达到的精度,两sub-layer精美的near-wall网格方法以案例。

这将减少计算时间,同时,能够解决的小y +的价值观,例如1。

从文学,我们也知道层流sub-layer为解决在湍流边界层的y +价值,在第一个节点毗邻墙应设置接近于统一,在那里y + = 1。

摘要模拟模型采用增强型墙治疗,这就可以实现。

模型创建和边界条件
模型创建
整体模型
在Gambit创建通道的整个模型，共12部分,为了提供足够数量的部分来实现开发流程。

用提供的坐标创建通道的一部分，接着使用Move/Copy Edges工具创建其余的11部分。

被删掉的每条中心线以便能模拟流过整个通道的12部份。

对于整个模型的通道数据如下图:
周期模型
创建的周期模型以便我们利用2个不同模型比较不同的结果。

在Fluent中当我们使用周期性的边界条件时，只有通道的一部分用来做模型。

模型如下：
边界条件
为了达到准确的模拟和也实现各种数据和结果进行比较，许多边界条件指定的通道与实验数据基本吻合。

各种边界条件设定可以看到下图整个模型：
速度入口出口速度
Wall
周期模型边界条件设定可以看到下图:
入口速度出口速度
Wall
边界层设置和网格创建
边界层设置和讨论
在开始计算边界层大小时，在通道里，我们进入边界层设置的更多细节。

边界层大小的准确性是很重要的，就像通过通道的流体流动，接近通道的Wall的流动分子是受干扰的和来回绕着转。

这些分子恰好在Wall的表面上由于流体粘度而变慢，将导致减少上方流体的流体。

这创造了一层薄的流体表面附近的速度的变化而改变的墙面零点的自由流价值离墙表面。

发生在这层的边界层微分。

模拟结果精确尺寸将开始以一种更现实的边界层,从而更精确的结果。

主要因素将决定边界层创作的开始,也就是大小的区间数数目在特定的镶边。

一开始就已经前面提到的尺寸值计算得到y +、入口速度以及运动粘度。

正如我们所知道的从先前的任务,因为我们感兴趣于模拟一个更实际的边界层,由创造网格的比例模型,以更好的方法,我们将实现沿顶部和底部网格墙,粗糙的网格物体在中间的渠道。

这将节省不必要的计算时间,如果全频道是建模为细网。

创造的样品,，通道的网格可以看出如下:
网格创建和特性
网格独立性测试
为了达到我们的结果的准确性,我们将首先需要达到网格独立。

这可能是由比较结果不同目具有相同的变量。

在牢记开始以前的大小,我们达到计算,我们可以比较独立网格计算网格的数量在同一开始大小和也比相同。

2个不同网格做周期模型,一定数量的间隔了多种多样比较重要的100和150计数的高度和也在50到75往往依靠顶
部和底部的Wall。

这可以从下面的图表:
Coarse Mesh Fine Mesh 通过比较结果如归一化速度值在顶或槽的波浪渠道, 为了达到准确的结果我们可以决定我们能够使用的网格大小,同时优化计算时间。

Crest Trough
实验结果和分析整体模型各种情况：
Re=8600时：
standard整体模型参差曲线
standard整体模型总温图
standard整体模型总压图
NPG整体模型参差曲线
NPG整体模型总温图
NPG整体模型总压图
realizable整体模型参差曲线
realizable整体模型总温图
雷诺数Re=5400时
standard整体模型参差曲线
standard整体模型总温图
standard整体模型总压图周期模型情况：
雷诺数Re=8600时：
Standard周期模型参差曲线
standard周期模型总温图
standard周期模型总压图
从以上个图可以看出，不管雷诺数是8600还是5400，不管是standard模型、NPG模型还是realizable模型下，不管是整体模型还周期模型，它们的参差曲线都是收敛的，其中整体模型中X方向的速度是趋于直线的。

通过对总温图的观察可以看出，在入口处，上下面的温度几乎是相同的，而水在向出口方向流动的过程中，上下面的温度出现偏差，即下面的温度逐渐高于上部温度。

对总压图的观察可知，在入口处，上下面的压力差比较小，而在流动过程中，上部
压力差几乎不变，但压力差变大，在出口处达到最大。