fluent流--固耦合传热

一两端带法兰弯管置于大空间内，管外壁与空气发生自然对流换热；内通烟气并与管内壁发生强制对流换热。结构和尺寸及其它条件如图。计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。

所需的边界条件采用对流换热实验关联式计算。

要求在发动机数值仿真实验室的计算机上完成建立几何模型、生成计算网格、建立计算模型、提交求解、和结果后处理等步骤，并分别撰写计算任务的报告，计算报告用计算机打印。

计算报告包括以下与计算任务相关的项目和内容：

(1)...............................传热过程简要描述包括传热方式、流动类型等；

(2)计算方案分析包括所求解的控制方程及其简化、边界条件及其确定方法和主要计算过程；

(3)计算网格简报包括网格划分方案、单元拓扑、单元和节点数量、网格质量等；

(4)计算模型描述包括流体物性、边界条件、湍流模型、辐射模型及近壁处理等；

(5)求解过程简报包括求解方法、离散格式、迭代过程监控、收敛准则等；

(6)...............................................计算结果及分析给出下列图表和数据：

w纵剖面和中间弯管45°方向横剖面上的温度、温度梯度、速度分布图，以

及法兰和中间弯管处的局部放大图。

w管内壁面上的温度、热流密度和表面传热系数分布，包括三维分布和沿管长度方向上的分布。w..................................................................................................总热流量。w由2种数值计算方法求得管内外烟气和空气之间换热的平均传热系数和烟气出口温度，并与工程算法得到的数值对比。

1、传热过程简述

计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent 求解通有烟气的法兰弯管包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。在进行分析时要同时考虑导热，对流，热传递三种传热方式。

（1）、直角弯管内外壁间的热传导。注意：如果是按薄壁方法处理时不用考虑该项，此时管壁厚度可以忽略，内壁和外壁温差几乎为零。

（2）、管子外壁与环境发生的自然对流换热。由于流体浮生力与粘性力对自然对流的影响，横管与竖管对流换热系数略有不同的。计算公式也不一样。同时，还有内壁同烟气发生的强制对流换热。

（3）、管子外壁和大空间（环境）的辐射换热

通过进气温度和流量，我们可以推断出管内烟气为湍流流动。这在随后的计算中可以得到证实。

2、计算方案分析

（1）、控制方程及简化质量守恒方程：()()()0u v w t x y z

ρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂它表述的是单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。对定常不可压缩流动该方程可简化为

0u v w x y z

∂∂∂++=∂∂∂动量守恒方程：()

()()u u p div Uu div gradu S t

x ρρµ∂∂+=+−∂∂()

()()v v p div Uv div gradv S t

y ρρµ∂∂+=+−∂∂()

()()w w p div Uw div gradw S t z ρρµ∂∂+=+−

∂∂该方程的依据是，微元体中的流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。式中u S 、v S 、w S 是动量方程中的广义源项。和前面一样上式可以简化为：

()()1u p d iv U u d iv g ra d u t x

νρ∂∂+=−∂∂()()1v p d iv U v d iv g r a d v t y

νρ∂∂+=−∂∂()()1w p d iv U w d iv g ra d w t z

νρ∂∂+=−∂∂能量守恒方程

其依据四能量守恒定律：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。()()()()

()h

h u h vh w h p d ivU d iv g ra d T S t x y z ρρρρλ∂∂∂∂+++=−++Φ+∂∂∂∂λ：流体导热系数；h S ：流体内热源

Φ：由于粘性作用，机械能转换为热能的部分；

对本题可化为：()T p S T d iv U T d iv g ra d T t c λρρ⎛⎞∂+=+⎜⎟⎜⎟∂⎝⎠

（2）边界条件的定义

1）发生在管内、外壁上的对流换热属于第三类边界条件

2）弯管两端法兰截面是绝热的，属于第二类边界条件（热流量为零）

3）外表面的辐射换热边界条件

1）内壁上强制对流换热系数1

h 查阅资料[]确定700K烟气的热物性参数如下

30.509/kg m ρ=；()25.9*10/*W m k λ−=；

6267.74*10/m s ν−=；1159/*Cp J kg K

=又已知：烟气流量0.15/m kg s =，管的内直径500.05d mm m

==由m AV ρ=；A为流道截面积，Ｖ为烟气流速

20.15150.1/0.050.5092m V m s A ρπ===⎛⎞⎜⎟⎝⎠，

烟气比热容比

1.33γ=，287.52j/kg K g R =

当地声速

c =

517.38/c m s ==，则150.10.29517.38

V M c ===，当0.4M <时，气体可是为不可压流体而雷诺数56150.10.05 1.111067.7410

e Vd R ν−×===××，（管内烟气为湍流流动）管内湍流换热实验关联式

实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：

0.80.023Re Pr n f f f

Nu =加热流体时=0.4n

，冷却流体时=0.3n 。

式中:定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。将数据代入上式得()0.850.30.0231.11100.637218.39

f Nu =×=得到强制对流换热系数2

21 5.910218.39257.70.05

W h Nu m k d λ−×==×= 2）外壁自然流换热系数2h 、3

h 自然对流试验关联式：()Pr n Nu C Gr =，hl Nu λ

=，8

3.5110Gr =×其中0.59C =、1/4n =、Pr 0.701=【查表】

，注意：对于竖管段特征长度取管长，横管特征长度取管直径。

定性温度采用()()/2700300/2500m w t t t K ∞=+=+=，

700300400w f t t t K

∆=−=−=查表知500K时干空气热物性参数：

30.705/kg m ρ=、()24.1*10/*W m K λ−=、6237.83*10/m s

ν−=得竖管对流换热系数()1

3422Pr Pr n g tl h Nu C Gr C l l l λλαλν⎛⎞∆===⎜⎟⎝⎠，代数数据得