fluent流--固耦合传热

hl ， λ
Gr = 3.51 × 10
8
其中 C = 0.59 、 n = 1/ 4 、 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 t m = (tw + t ∞) / 2 = (700 + 300) / 2 = 500K ， ? t = t w - t f = 700 - 300 = 400 K 查表知 500K 时干空气热物性参数：
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， 以得到证实。 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
动量守恒方程： ? (ρ u) ?t ? (ρ v) ?t + div (ρ Uu ) = div ( μ gradu ) + Su ?p ?x ?p ?y ?p ?z
+ div ( ρ Uv ) = div ( μ gradv ) + Sv -
w) ? (ρ
?t
Uw ) = div ( μ gradw ) + Sw + div (ρ
+ d iv (U v ) = div (νg r a d v ) -
百度文库
ρ ?y
1 ?p
+ d iv (U w ) = d iv (νg ra d w ) -
ρ ?z
能量守恒方程 其依据四能量守恒定律： 力与面力对微元体所做的功。 ? ( ρh ) ?t + 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
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 质量等； (4)计算模型描述 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； 给出下列图表和数据： 以 包括流体物性、边界条件、湍流模型、辐射模型及近壁 包括网格划分方案、单元拓扑、单元和节点数量、网格
faces, zone 15, faces, zone 16, faces, zone 17, faces, zone 18, faces,
313 quadrilateral
而雷诺数 Re =
Vd ν
=
150.1× 0.05 67.74× 10
-6
5 （管内烟气为湍流流动） = 1.11× 10 ，
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：
0.8 n
Nu f = 0.023Re f Prf
加热流体时 n 冷却流体时 n
= ， 0. 3 = 。 式中： 定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。
-6 2
3
-2
W / (m * k ) ；
ν= 67.74*10 m / s ； Cp = 1159 J / kg * K
又已知：烟气流量
m = 0.15kg / s ，管的内直径 d = 50mm = 0.05m
由 m = AV ρ； A为流道截面积，Ｖ为烟气流速
V=
m = Aρ
0.15
π?
? 0.05 ? ? 0.509 2 ? ?
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 (2)计算方案分析 包括传热方式、流动类型等；
（ 1） 网格划分方案
1）管体是狭长规则几何体，优先采用四边形（ quadrilateral ） 、六面体网格 （ hexahedral cells ），它们相比较其他类型网格允许较大的纵横比。几何体弯曲部分 要给以加密，修正由弯曲造成的网格放大。 2）由传热及流动过程界定网格布局： 首先，我们想到的是弯管的内壁，此处烟气和管壁发生强制对流换热。温度变化很 大，所以需要较密的网格。可以通过划分边界层网格的手段得到沿半径方向成比例渐变 的网格。如图ａ
0. 4
将数据代入上式得
Nu f = 0.023(1.11× 10
5
)
0.8
0.637 = 218.39
-2
0.3
得到强制对流换热系数
λ 5.9 × 10 h1 = Nu = 218.39 × d 0.05 h2 、 h3 Nu = C (Gr Pr ) ， Nu =
n
= 257.7 W
m k
2
2）外壁自然流换热系数 自然对流试验关联式：
(6)............................................... 计算结果及分析
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，
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。
b.中间段网格
最后给各个面设定边界条件并检查网格质量。注 : 若发现负体积需要重新划分网格 改变网格布局。因为负体积将直接导致基于有限体积法的 fluent 得出错误结果。 （ 2）单元和节点统计 25440 hexahedral cells, zone 2, binary. 96404 hexahedral cells, zone 3, binary. 281487 quadrilateral interior faces, zone 20, binary. 12320 12320 560 5320 quadrilateral quadrilateral quadrilateral quadrilateral wall wall wall wall wall wall wall faces, faces, faces, faces, faces, faces, faces, zone 1, binary. zone 23, binary. zone 4, binary. zone 5, binary. zone zone zone 6, binary. 7, binary. 8, binary.
wall faces, zone 9, binary. interior faces, zone 10, binary. interior faces, zone 11, binary. interior interior interior interior interior interior outflow faces, faces, faces, zone 12, binary. zone 13, binary. zone 14, binary. binary. binary. binary. binary.
2、 计算方案分析
（ 1） 、控制方程及简化
质量守恒方程：
u ) ? (ρ v) ? ( ρ w) ?ρ ? (ρ + + + =0 ?t ?x ?y ?z
它表述的是单位时间内流体微元体中质量的增加， 体的净质量。 对定常不可压缩流动该方程可简化为 ?u ?x + ?v ?y + ?w ?z =0 等于同一时间间隔内流入该微元
7
3
1 4
4.1× 10 0.4
-2
= 4.47 W
m2 * k
同理得横管段 Gr = 7.11× 10 ，则 c=0.48,
3 1 4
n = 1/ 4
? 9.8 × ? 400 × 0.07 ) ( λ h3 = 0.48 ? 0.701 ? = 23.6 W 2 2 ? ? 0.07 m k ν× 500 ? ?
uh ) ? (ρ
?x
+
? ( ρvh ?y
)
+
?
( ρw h )
?z
= - p d ivU + d iv ( λg ra d T
)+
Φ + Sh
λ：流体导热系数；
Sh ：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 ?t + d iv (U T
)
? λ ? ST = d iv ? g ra dT ? + ? ρc p ? ρ ? ?
2
= 150.1m / s ，
烟气比热容比 当地声速 则M =
V c = 150.1 517.38
γ= 1.33 ， Rg = 287.52j/kg K c= γ Rg T ，则 c = 1.33 ×287.52 ×700 = 517.38 m / s ， = 0.29 ，当 M < 0.4 时，气体可是为不可压流体
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 为：
Su 、 Sv 、 Sw 是动量方程中的广义源项。和前面一样上式可以简化
?u ?t ?v ?t ?w ?t
+ d iv (U u ) = div (νg ra d u ) -
1 ?p
ρ ?x
1 ?p
注：横管的
C=0.48
（必须
gα λ ? tl 知道 h2 = Nu 中 l 的含义，以及 Gr = 中 l 的含义） 2 l ν
3
3、网格简报
本模型用 UG 进行建模，采用 GAMBIT 来划分网格。一般说来，网格越密越能保证精确 的计算结果。但我们也要具体问题具体分析，针对不同模型采用不同的处理方法。在硬 件配置允许的条件下，画出合理的高质量的网格。
（ 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
h1
查阅资料 [] 确定 700K 烟气的热物性参数如下
ρ= 0.509 kg / m ； λ= 5.9*10
2600 quadrilateral 4000 quadrilateral 160 quadrilateral 160 quadrilateral 313 quadrilateral 80 quadrilateral 313 quadrilateral 80 quadrilateral 313 quadrilateral 80 313 80 313 quadrilateral quadrilateral quadrilateral quadrilateral
ρ= 0.705 kg / m 、 λ= 4.1*10 W / ( m * K ) 、 ν= 37.83*10
得竖管对流换热系数
3
-2
-6
m /s
1 4
2
n λ ? gα ? λ λ ? tl ，代数数据得 h2 = Nu = C (Gr Pr ) =C? Pr 2 ? l l ? ν ? l
3
? 9.8 × ? 400 × (0.4 ) h2 = 0.59 ? 0.701 ? 2 ? ? ν× 500 ? ?
a.边界层网格划分
其次，考虑到流体进入拐角后流动情况复杂，也有必要对该处的网格加密。需要先 对线来进行网格划分，即由控制线上节点的数量来对拐角处体网格疏密进行控制。注： 该线需是弯管面沿轴向的分割线，可以通过 split face 命令将弯面沿着轴向方向虚拟分 割。再利用 cooper 命令画出的弯管部分的网格如图ｂ