4.7 方腔自然对流(8)

4.7方腔自然对流

4.7.1物理模型

一个边长为1m的正方形箱体，右墙温度为2000K，左墙温度为1000K，上下墙面绝热，重力方向向下，由于热重引起密度梯度，所以发展为浮力流。箱中的介质具有吸收性和散射性的，，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收被减弱，同时也因为介质的散射作用而增强了，所有墙壁被认为是黑体。计算区域如图4-7-1所示。

图4-7-1 计算区域示意图

4.7.2在Gambit中建立模型

Step1：启动Gambit并选择求解器为Fluent5/6。

Step2：创建面

操作：→→

打开对话框，输入长度和宽度100，在Direction中选择XY Centered。

Step3：划分面网格

1．操作：→→

打开对话框如图4-7-2.

（1）在Edges中选择正方形的四个边；

（2）在Type中的下拉菜单中选择Successive Ratio；

（3）选中Double sided前面的复选框；

（4）输入Ratio1和Ratio2的值1.03；

（5）点击Apply确认。

图4-7-2 网格划分设置对话框图4-7-3 划分面网格设置对话框

2．操作：→→

打开对话框如图4-7-3所示，Internal size=1，其它保留默认。

Step4：设置边界类型

操作：→

●在Name栏输入边界名称wall-1，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并

选中方腔左边边线。

●在Name栏输入边界名称wall-2，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并

选中方腔右边边线。

●在Name栏输入边界名称wall-3，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并

选中方腔其它两条边线。

Step5：输出网格文件

选中Export 2-D mesh 前面的复选框，输出网格文件。

4.7.3求解计算

Step1：导入并检查网格

1．读入网格文件

操作：Fil e→Read→Case...

找到文件后，单击OK按键确认。

2．检查网格

操作：Grid→Check

注意最小体积不能为负值。

3．网格比例设置

操作：Grid→Scale...

在Gambit中，生成网格使用的单位是cm，在Grid Was Created In下拉菜单中，选取cm，然后单击Scale，关闭对话框。

4．显示网格

操作：Display→Grid...

方腔的网格图如图4-7-4所示。

图4-7-4 方腔网格图

Step2：选择计算模型

1．设置求解器

操作：Define→Models→solve...

保留默认求解器即可。

2．选择辐射模型

操作：Define→Models→Radiation...

打开对话框如图4-7-5所示，选择P1辐射模型。

图4-7-5 辐射模型选择对话框图4-7-6 操作环境设置对话框

2．操作环境的设置

操作：Define→Operating Conditions...

打开对话框如图4-7-6所示，选中Gravity前面的复选框，此时面板会自动展开，在Y值中输入-6.94e-5，在操作温度中输入1000。

Step3：定义流体材料性质

操作：Define→Materials...

打开对话框如图4-7-7所示，改变空气的物理属性。

（1）在Density下拉菜单中选择boussinesq，并输入密度值为1000。

（2）设置比热容为1.103e04；

（3）设置导热系数为15.309；

（4）设置粘度为0.001；

（5）设置吸收系数为0.2；

（6）保留S cattering Coefficient和Scattering Phase Function中的默认设置；

（7）设置热扩散系数为1e-5；

（8）点击Change/Create，然后关闭对话框。

图4-7-7 材料设置对话框

Step4：设置边界条件

操作：Define→Boundary Conditions...

1．设置左边壁面的温度

在Zone下面选择wall-1，它对应的边界条件类型为Wall，然后单击Set按键，打开wall-1边界条件设置的对话框如图4-7-8所示。

（1）单击Thermal选项卡；

（2）在Thermal Conditions下选择Temperature，并输入温度值1000K；

（3）点击OK关闭对话框。

图4-7-8 左边壁面温度设置对话框

2．设置右边壁面的温度

类似的，可设置右边壁面温度为2000K。

3．保留wall-3的默认设置

Step5：求解方法的设置及其控制

1．求解参数的设置

操作：Solve→Controls→Solution...

在Under-Relaxation Factors中设置P1为1，对其它项保持默认设置。

2．打开残差图

操作：Solve→Monitors→Residual...

打开残差设置对话框，选择Option下面的Plot。

3．流场初始化

操作：Solver→Initialize→Initialize...

打开对话框如图4-7-9所示，将温度设置为1500K，依次点击Init、Apply和Close按键。

图4-7-9 初始化设置对话框

4．保存case文件

操作：Fil e→Write→Case...

5.开始迭代

操作：Solver→Iterate...

在Number of Iteration（迭代次数）栏内输入200；点击Iterate开始计算。

图4-7-10 残差图

6.保存date文件

操作：Fil e→Write→Date...

计算收敛，保存Date文件。

4.7.4计算结果

1．显示速度矢量图

操作：Display→V ectors...

打开对话框如图4-7-11所示，在Scale项，将比例因数增加到3；增大Skip值为1；点击Display。速度矢量如图4-7-12所示。

图4-7-11 显示速度矢量设置对话框

图4-7-12 速度矢量图

2．显示温度分布图

操作：Display→Contour...

打开“Contour”对话框，选中Filled，在Contour Of下拉列表中选择Temperature和Static Temperature，点击Display。结果如图4-7-13所示。

图4-7-13 方腔内的温度分布图

3．显示水平中心线Y向的速度分布曲线

（1）创建水平中心线的截面

操作：Surface→Iso-Surface...

打开“Iso-Surface”设置对话框如图4-7-14所示。

在Surface of Constant下拉列表中选择Grid...和Y-Coordinate；点击Compute，在Min 和Max栏内将显示区域内x值的范围；在Iso-Values项填入0；在New Surface Name下填入名称y=0；点击Create。

图4-7-14 创建水平中心线设置对话框

（2）显示中心线上的Y向速度分布曲线

操作：Plot→XY Plot...

打开对话框如图4-7-15所示，定义Plot Direction向量为（1，0），在Y Axis Function中选择Velocity...和Y Velocity，选择Surfaces列表中的y=0，点击Plot。结果如图4-7-16所示。

图4-7-15 中心线速度分布设置对话框

图4-7-16 中心线Y方向速度分布曲线图

277中空玻璃空气夹层捏的自然对流换热

中空玻璃空气夹层内的自然对流换热重庆大学黄春勇王厚华摘要：本文从传热学的角度论述和分析了中空玻璃空气夹层内的自然对流换热。采用商业软件FLUENT 对中空玻璃空气夹层厚度为6mm 、9mm 、12mm 、14mm 、16mm 时的自然对流换热进行数值模拟，并将所获得的对流换热量与采用经验公式计算的结果作了对比分析。结果表明，在设定条件下，中空玻璃空气夹层对流换热在上述空气夹层厚度下可以近似作纯导热处理，误差不是很大。由此说明，自然对流换热经验公式对于计算中空玻璃空气夹层内的对流换热系数是能够很好地满足工程要求。关键词：建筑节能中空玻璃空气夹层对流换热系数 1 前言随着国家标准《民用建筑热工设计规范》（GB50176-1993）及《民用建筑节能设计标准（采暖居住建筑部分）》（JGJ26-1995）等技术法规的出台，民用建筑节能，已成为建筑设计中的一项重要内容。从节能角度来讲, 整个建筑的能量损失中约50%是从门窗上损失，对于整幢建筑来说, 门窗的面积占建筑面积的比例超过20%, 玻璃在门窗中约占70%以上。而在建筑围护结构中，门窗的能耗约为墙体的4倍，屋面的5倍，地面的20多倍，约占建筑围护结构总能耗的40%~50%[1] 。因此, 增强门窗的保温隔热性能, 减少门窗的能耗, 是改善室内热环境和提高建筑节能的重要环节, 而其中减少通过玻璃的能量损失尤为重要。因此，中空玻璃作为一种节能环保型产品,在建筑上得到了越来越广泛的应用。建设部2001年发布的《夏热冬冷地区居住建筑节能标准》(JGJ134- 2001)中, 对窗墙面积比大于0.45且小于0.5的外窗传热系数限制指标到了2.52 /W m K , 夏热冬暖地区这一指标在部分条件下到了2.02 /W m K 。这对普通中空玻璃节能性能提出了更高的要求。目前，中空玻璃的研究资料中普遍认为，当空气夹层厚度为12mm 时中空玻璃的节能效果最佳。随着住宅建筑低飘窗的面积不断增大，空气夹层的最佳厚度是否会发生变化呢？因此，本文主要通过经验公式和数值模拟寻找影响中空玻璃空气层内的对流换热因素，并通过计算对流换热量来考虑中空玻璃空气夹层的最佳厚度。 2 中空玻璃K 值计算方法中空玻璃的主要热工性能参数包括传热系数K 值和遮阳系数SC 值。其中传热系数K 值是指单位时间、单位壁面积上，冷热流体间每单位温度差时传递的热量，也就是说，K 值是中空玻璃系统总热阻R 的倒数。中空玻璃系统的总热阻包括室外对流侧换热热阻、室外侧玻璃单片导热热阻、气体层热阻、室内侧玻璃单片导热热阻以及室内侧对流换热热阻，即： ,11 i g i out in R R R h h = +++∑∑ （1）式中：out h 、in h ——玻璃系统室内、外侧对流换热系数，2 /()W m K ； i R ——空气层的热阻，2/m K W ；,g i R ——每层玻璃单片的导热热阻，2/m K W 。因此，要计算中空玻璃的K 值，首先要解决玻璃内气体夹层的传热计算问题。从传热学的角度分

自然对流关键设置

自然对流关键设置 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020

fluent自然对流模拟关键点关于fluent做自然对流的数值模拟，与强制对流的模拟有很大的不同，关键点是自然对流的驱动力是由于温差引起的密度差，进而在重力的作用下，引起流体产生运动。这跟强制对流需要由外界提供动力是完全不同的，所以其设置也是不同的，现把我的一些经验和大家分享。 1，湍流模型的选择对于自然对流，湍流模型的选择也是不同的，其主要是要强调壁温的影响和浮升力的影响。具体设置如下: 选择了k-e模型，然后是选择了enhanced wall treatment和full buoyancy effects选项，也就是强调壁温作用和浮升力的作用。 2，能量方程和重力项都要打开。 3，材料的设置（1）密度采用Boussinesq假设，然后需要设置流体的密度为一个定值，还要设置流体的热膨胀系数。关于流体的热膨胀系数需要查资料了。如下（2）选用不可压缩理想流体假设就是流体按不可压缩理想流体对待，其含义是，流体的密度是变化的，其变化是由温度变化引起的，而不是由压力变化引起的，如下所示，流体密度项选择incompressible ideal gas选项。（3）对上述两种选择的解释

首先，Boussinesq假设比incompressible ideal gas假设，更易收敛。一般情况下选择这个假设即可。其次，对于Boussinesq假设有其适用范围，因为其假设流体密度是个定值，所以其主要用于流体密度变化小于20%的情况，也就是两壁面温差较小的情况，那么温差值有没有一个经验数据呢有的，一般如果壁温与流体温度相差在200K以上，Boussinesq假设就不适用了。第三，incompressible ideal gas假设，其把流体密度看做随温度的变化而变化，所以其适用范围较广，对于Boussinesq假设不能适用的，就用这个假设。 4，solution method设置对于求解方法的设置，主要是对压力离散方法的选择，要选择PRESTO!或body force weighted选项。如下所示以上就是自然对流的关键设置，按照上述设置来进行模拟，完全可以得出浮升力的漩涡流，完毕！

冷热圆管在封闭方腔内不同垂直位置的自然对流数值研究

2015年第34卷第6期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·1595· 化工进展冷热圆管在封闭方腔内不同垂直位置的自然对流数值研究沈中将，虞斌（南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京211816）摘要：利用有限体积法对冷热圆管在封闭方腔内不同垂直位置的自然对流现象进行了数值研究。讨论了瑞利数Ra和冷热圆管间距δ对方腔内自然对流流动与换热的影响，其中瑞利数的变化范围为103～106，圆管间距变化范围为0.3～0.6。为了揭示冷热圆管间的相互作用和圆管与方腔间的相互作用对自然对流换热与流动的影响规律，比较分析了热圆管在上、冷圆管在下和热圆管在下、冷圆管在上两种情形下冷热圆管、方腔的自然对流换热能力的差异。研究表明：瑞利数的改变，对方腔内温度场分布和涡流结构有显著影响；热圆管在下、冷圆管在上这种情形更有利于自然对流换热的进行；增加圆管间距δ，热圆管和方腔的换热能力增强，但冷圆管的换热能力却有所减弱。研究结果为核电站安全壳非能动余热排出系统的性能研究提供了理论依据。关键词：自然对流；方腔；冷热圆管；垂直位置；数值模拟中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2015）06–1595–07 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.06.015 A numerical study of natural convection with hot and cold cylinders at different horizontal positions vertically aligned in square enclosure SHEN Zhongjiang，YU Bin （School of Mechanical and Power Engineering，Nanjing Technology University，Nanjing 211816，Jiangsu，China）Abstract：A numerical simulation of natural convection with a pair of hot and cold cylinders at different horizontal positions vertically aligned in square enclosure was obtained using finite volume method. The main affecting factors natural convective flow and heat transfer，including the Rayleigh number Ra and hot-cold cylinders spacing δ were analyzed. The Rayleigh number ranged from 103 to 106 and the hot-cold cylinders spacing δ varied from 0.3 to 0.6. In order to investigate the interaction between the two cylinders and the interaction between the inner cylinders and the cold enclosure，two different cases were considered，including the case of the hot cylinder upper section and the cold cylinder lower section and the case of the hot cylinder lower section and the cold cylinder upper section. The results showed that the intensity of natural convection had a significant impact on distribution of temperature and vortex structure in the enclosure. The situation of the hot cylinder lower section and the cold cylinder upper section was more favorable to natural convection. Heat capacity of hot cylinder and square enclosure increased and that of cold cylinder decreased when cylinder spacing δ increased. The results provided a theoretical basis for the performance of nuclear power plant containment passive residual heat removal system. Key words：natural convection；square enclosure；hot and cold cylinders；vertical location；numerical simulation 封闭方腔内自然对流流动与换热特性在工程领域中有着广泛的应用。例如换热器、太阳能集热收稿日期：2014-10-28；修改稿日期：2014-12-08。第一作者：沈中将（1989—），男，硕士研究生。联系人：虞斌，教授，主要从事高效传热传质设备研究。E-mail abyu@https://www.360docs.net/doc/c61910911.html,。

4-5_对流传热系数关联式

知识点4－5 对流传热系数关联式【学习指导】 1．学习目的通过本知识点的学习，了解影响对流传热系数的因素，掌握因次分析法，并能根据情况选择相应的对流传热系数关联式。理解流体有无相变化的对流传热系数相差较大的原因。 2．本知识点的重点对流传热系数的影响因素及因次分析法。 3．本知识点的难点因次分析法。 4．应完成的习题 4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。 4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。已知α为下列变量的函数： 4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内湍流流动。压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。假设管壁和污垢热阻可忽略。 4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。

4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。换热器的热损失可以忽略。 4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。列管由直径为ф25×2.5mm的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数为2115W/(m2.℃)；若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得系数为2660 W/(m2.℃)。试求蒸汽冷凝的传热系数。假设污垢热阻可忽略。对流传热速率方程虽然形式简单，实际是将对流传热的复杂性和计算上的困难转移到对流传热系数之中，因此对流传热系数的计算成为解决对流传热的关键。求算对流传热系数的方法有两种：即理论方法和实验方法。前者是通过对各类对流传热现象进行理论分析，建立描述对流传热现象的方程组，然后用数学分析的方法求解。由于过程的复杂性，目前对一些较为简单的对流传热现象可以用数学方法求解。后者是结合实验建立关联式，对于工程上遇到的对流传热问题仍依赖于实验方法。一、影响对流传热系数的因素由对流传热的机理分析可知，对流传热系数决定于热边界层内的温度梯度。而温度梯度或热边界层的厚度与流体的物性、温度、流动状况以及壁面几何状况等诸多因素有关。 1．流体的种类和相变化的情况液体、气体和蒸汽的对流传热系数都不相同，牛顿型流体和非牛顿型流体也有区别。本书只限于讨论牛顿型流体的对流传热系数。流体有无相变化，对传热有不同的影响，后面将分别予以讨论。 2．流体的特性

自然对流关键设置

3，材料的设置（1）密度采用Boussinesq假设，然后需要设置流体的密度为一个定值，还要设置流体的热膨胀系数。关于流体的热膨胀系数需要查资料了。如下

（2）选用不可压缩理想流体假设就是流体按不可压缩理想流体对待，其含义是，流体的密度是变化的，其变化是由温度变化引起的，而不是由压力变化引起的，如下所示，流体密度项选择incompressible ideal gas选项。

（3）对上述两种选择的解释首先，Boussinesq假设比incompressible ideal gas假设，更易收敛。一般情况下选择这个假设即可。其次，对于Boussinesq假设有其适用范围，因为其假设流体密度是个定值，所以其主要用于流体密度变化小于20%的情况，也就是两壁面温差较小的情况，那么温差值有没有一个经验数据呢？有的，一般如果壁温与流体温度相差在200K以上，Boussinesq假设就不适用了。第三，incompressible ideal gas假设，其把流体密度看做随温度的变化而变化，所以其适用范围较广，对于Boussinesq假设不能适用的，就用这个假设。 4，solution method设置对于求解方法的设置，主要是对压力离散方法的选择，要选择PRESTO!或body force weighted 选项。如下所示以上就是自然对流的关键设置，按照上述设置来进行模拟，完全可以得出浮升力的漩涡流，完毕！

封闭方腔自然对流换热

封闭方腔自然对流换热描述该物理模型的无量纲方程组为：连续性方程：()() 0d U d U dx dy ρρ+= 动量方程：2222U V P U U U V X Y X X Y ?????+=-++????? 2222Pr U V P U U Ra U V X Y X X Y ?????+=-+++Θ????? 能量方程：22221Pr U V X Y X Y ?? ?Θ?Θ?Θ?Θ+=+ ??????? 其中，无量纲几何参数,x y X Y l l = = ；无量纲速度ul U v =，vl V ν = ；无量纲压力() 02 /p gy p v l ρρ+= ，无量纲温度0h c T T T T -Θ=-；普朗特数Pr p c v a l μ==；瑞利数 ()3h c g T T l Ra va β-=，空气的体胀系数1p T ρβρ??? =- ????，λ 为空气的导热系数。

、具体模拟计算参数： 55 35 3,500,360,0.0033331.74510,Pr 0.712, 2.36101.11/, 1.9310h c L m T K T K v a kg m βρμ---=====?==?==? 对方腔划分网格，采取的是60?60网格，，壁面处加密。在FLUENT 软件中，使用分离求解器求解控制方程组。材料的物性设置密度使用Boussinesq 假设。本例主要分别计算了数为3 4456110 ,110,510,110,110?????的情况。压力插值方案选择Body Force Weighted 格式；压力-速度耦合方程用SIMPLE 算法；动量、能量方程选择二阶迎风格式。有公式：()3h c g T T l Ra va β-=可得对应的g 入下表所示本模拟与文献中的Nu 比较

自然对流与强制对流及计算实例

自然对流与强制对流及计算实例热设计是电子设备开发中必不可少的环节。本连载从热设计的基础——传热着手，介绍基本的热设计方法。前面介绍的热传导具有消除个体内温差的效果。上篇绍的热对流，则具有降低平均温度的效果。下面就通过具体的计算来分别说明自然对流与强制对流的情况。首先，自然对流的传热系数可以表述为公式（2）。热流量=自然对流传热系数X物体表面积X（表面温度-流体温度）???（2）很多文献中都记载了计算传热系数的公式，可以把流体的特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算的时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气的特性值，简化了公式。自然对流传热系数 h=2 .51C （/T/L）0.25 （W/m2K ???（3） 2.51 是代入空气的特性值后求得的系数。如果是向水中散热，2.51 需要换成水的特性值。公式（3）出现了C、L、/T三个参数。C和L从表1中选择。例如，发热板竖立和横躺时，周围空气的流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C就负责吸收这一差异。代表长度L与C是成对定义的。计算代表长度的公式因物体形状而异，因此，在计算的时候，需要从表1 中选择相似的形状。需要注意的是，表示大小的L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 /T是指公式（2）中的（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间的温差越大，紧邻物体那部分空气的升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍的热传导公式能够通过求解微分方程的方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用的理论公式。能建立理论公式的，只有产生的气流较简单的平板垂直放置的情况。因为在这种情况下，理论上的温度边界线的厚度可以计算出来。

幂律流体方腔自然对流换热数值分析精品

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学号密级____________ 幂律流体方腔自然对流数值分析Numerical Analysis of Pow-law Fluid Natural Convection in Square Cavity 学生姓名：XXX 所在学院：核科学与技术学院所在专业：核工程与核技术指导教师：XXX 职称：教授所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：201X年6月16日论文答辩日期：201X年6月21日学位授予单位：哈尔滨工程大学

摘要封闭方腔自然对流问题对核反应堆的安全设计有着重要意义，但是目前已有研究大多围绕牛顿流体进行，而实际上自然界大多数流体为幂律流体，针对幂律流体在方腔内自然对流换热的研究是有实际意义的。本文先对方腔建立了物理模型，然后利用GAMBIT软件对其进行网格划分。为了提高精度和减少计算时间，本文采用非均匀网格划分，将划分好的网格导入FLUENT 中后，通过FLUENT软件进行数值模拟。本文主要研究幂律指数和瑞利数对自然对流换热的影响。结果表明幂律指数和瑞利数对幂律流体方腔自然对流均有较大影响，且随着幂律指数和瑞利数的增大，方腔内的自然对流越来越剧烈。当幂律指数大于10时，方腔内的流动由层流转为湍流。关键词：幂律流体；自然对流换热；方腔

圆管自然对流计算和模拟

水平管和竖直管自然对流计算汇总 1.计算工况表温度工况计算结果 100℃150℃200℃250℃300℃ 传热系数h () 2 W m K ?水平管7.958 9.115 10.045 10.803 11.527 竖直管 4.715 5.369 5.899 6.335 6.754 换热量φ W 水平管75.962 141.388 215.734 296.472 385.128 竖直管45.008 83.390 126.703 173.860 225.649 最大速度 max u m/s 水平管0.476 0.537 0.585 0.697 0.736 竖直管0.840 1.050 1.180 1.290 1.390 2.变化曲线图

圆管自然对流的计算和数值模拟已知条件如图1所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自然对流换热，圆管外径38 D mm =，长度1000 L mm =，空气温度20 T C ∞ =，恒壁温条件100,150,200,250,300 w T C =，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换热时的空气最大速度。图1 一、数值计算 1.自然对流换热系数和换热量的计算 1)圆管水平放置计算以壁温100 w T=℃为例，计算过程如下：特征长度：0.038 D m =；定性温度()() 21002060 m w t t t C ∞ =+=+=；查空气物性：() 0.029W m K λ=?；-62 =20.110m ν?；Pr0.696 = 空气的体积膨胀系数：()()1 12731602731 v m t K α- =+=+= 格拉晓夫数Gr：大空间自然对流的实验关联式为： ()Pr n Nu C Gr =（1-1）根据计算的格拉晓夫数Gr选择合适的常数C和n（表1）：表1 式（1-1）中的常数C和n 加热表面形流动情况示流态系数C和指数n Gr数适用范围 ()() 33 5 262 9.81/333100200.038 = 3.210 20.110 v w g t t D Gr α ν ∞ - -??-? ==? ? （）

4.7 方腔自然对流(8)

4.7方腔自然对流 4.7.1物理模型一个边长为1m的正方形箱体，右墙温度为2000K，左墙温度为1000K，上下墙面绝热，重力方向向下，由于热重引起密度梯度，所以发展为浮力流。箱中的介质具有吸收性和散射性的，，因此墙壁间的辐射交换因存在吸收被减弱，同时也因为介质的散射作用而增强了，所有墙壁被认为是黑体。计算区域如图4-7-1所示。图4-7-1 计算区域示意图 4.7.2在Gambit中建立模型 Step1：启动Gambit并选择求解器为Fluent5/6。 Step2：创建面操作：→→ 打开对话框，输入长度和宽度100，在Direction中选择XY Centered。 Step3：划分面网格 1．操作：→→ 打开对话框如图4-7-2. （1）在Edges中选择正方形的四个边；（2）在Type中的下拉菜单中选择Successive Ratio；（3）选中Double sided前面的复选框；（4）输入Ratio1和Ratio2的值1.03；（5）点击Apply确认。

图4-7-2 网格划分设置对话框图4-7-3 划分面网格设置对话框 2．操作：→→ 打开对话框如图4-7-3所示，Internal size=1，其它保留默认。 Step4：设置边界类型操作：→ ●在Name栏输入边界名称wall-1，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中方腔左边边线。 ●在Name栏输入边界名称wall-2，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中方腔右边边线。 ●在Name栏输入边界名称wall-3，将Type栏选为Wall，在Entity栏选取Edges，并选中方腔其它两条边线。 Step5：输出网格文件选中Export 2-D mesh 前面的复选框，输出网格文件。 4.7.3求解计算 Step1：导入并检查网格 1．读入网格文件操作：Fil e→Read→Case... 找到文件后，单击OK按键确认。 2．检查网格

具有导热的竖环形封闭腔内自然对流数值研究

一第50卷第7期原子能科学技术Vol.50,No.7一2016年7月Atomic Ener gy Science and Technolo gy Jul.2016 具有导热的竖环形封闭腔内自然对流数值研究马崇扬,张东辉,邓一云,卓一铸,申凤阳 (中国原子能科学研究院,北京一102413) 摘要:以中国实验快堆堆坑为计算原型,采用有限容积法对具有导热的竖环形封闭腔内自然对流进行了二维层流稳态数值研究三数值计算结果表明:在相同Ra 条件下,平均Nu 随曲率的增加而增加,随纵横比的增加而降低,但在低Ra 区,平均Nu 几乎不随纵横比变化;在低Ra 区,竖环形封闭腔内换热方式主要是导热,当Ra 大于某一临界值后,腔内对流换热的作用显著增强,并随Ra 的增大逐渐占据主导三关键词:自然对流;SIMPLE ; 数值研究中图分类号:TK124一一一文献标志码:A一一一文章编号:1000-6931(2016)07-1186-07 收稿日期:2015-07-14;修回日期:2015-12-07作者简介:马崇扬(1983 ),男,陕西定边人,工程师,博士研究生,核能科学与工程专业doi :10.7538/y zk.2016.50.07.1186Numerical Simulation of Natural Convection in Vertical Annular Enclosed Cavit y with Thermal Conduction MA Chon g -y an g ,ZHANG Don g -hui ,DENG Yun ,ZHUO Zhu ,SHEN Fen g -y an g (China Institute o f Atomic Ener g y ,Bei j in g 102413,China ) Abstract :一Takin g the p it of China Ex p erimental Fast Reactor as the p rotot yp e ,the finite volume method was ado p ted to conduct numerical simulation for a two -dimension lami -nar stead y -state natural convection in vertical annular enclosed cavit y .The results show that under the same conditions of Ra ,the avera g e Nu increases with the curvature ,while decreasin g with the increase of the as p ect ratio (ratio of hei g ht and g a p in annular enclosed cavit y ).But in lower Ra zone ,the avera g e Nu has little chan g e with as p ect ra -tio and the heat conduction is dominant.After the Ra exceeds critical value ,the heat convection makes a g reater im p act in cavit y and then g raduall y holds the dominant p osi -tions with the increase of Ra .Ke y words :natural convection ;SIMPLE ;numerical simulation 一一环形封闭腔内自然对流换热在自然界和工程上有着广泛的应用三如太阳能收集器二被动式太阳能住宅空调二建筑物失火时室内火焰的扩散二电缆的绝热和热力贮存及核反应堆事故工况下的自然冷却以及乏燃料贮存等三从20世纪60年代开始,封闭空腔内的自然对流便开始受到研究者的关注,逐渐成为传热学的一个基本问题三针对不同的几何形状二

对流换热系数的确定.doc

对流换热系数的确定核心提示：1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。2.强制对流时的对流换热系数(1)气流沿 1.自然对流时的对流换热系数炉墙、炉顶和架空炉底与车间空气间的对流换热均属自然对流换热。 2.强制对流时的对流换热系数 (1)气流沿平面强制流动时气流沿平面流动时，烧结炉其对流换热系数可按表1-1的近似公式计算。表1-1对流换热系数计算 vo=C4.65(m/s) x；o>4.65(m/s) 光滑表面a=5.58+4.25z'o a^V.Slvg78 轧制表面a-=5.81+4.25vo a=7.53vin. 粗糙表面o=6.16+4.49vo a=T.94vi78 气流沿长形工件强制流动时当加热长形工件时，循环空气对工件表面的对流换热系数可用下述近似公式计算气流在通道内层流流动时气流呈层流流动时，对流换热系数主要决定于炉气的热导率，而与炉气的流速无关。绝对黑体的概念当物体受热后一部分热能转变为辐射能并以电磁波的形式向外放射，其波长从lfmi到若干m。各种不同波长的射线具有不同性质，可见光和红外线能被物体吸收转化为热能，称它们为热射线。各种物体由于原子结构和表面状态的不同，其辐射和吸收热射线的能力有明显差别。当能量为Q的一束热射线投射到物体表面时，也和可见光一样，一部分能量Qa将被吸收，一部分能量Qr被反射，还有一部分能量Qu透射过物体(如图1-5)。按能量守恒定律则有

图1-5辐射能的吸收、反射和透过如果A=l，则R=D=0，即辐射能全部被吸收，这种物体称绝对黑体，简称黑体。如果R=l，则A=D=0，即辐射能全部被反射，这种物体称绝对白体，简称白体。如果D= 1，则A=K=0，即辐射能全部被透过，这种物体称绝对透过体，简称透过体。自然界中，黑体、白体和透过体是不存在的，它们都是假定的理想物体。对于一种实际物体来说数值，不仅取决于物体的特性，还与表面状态、温度以及投射射线的波长等有关。为研究方便，人们用人工方法制成黑体模型。在温度均匀、不透过热射线的空心壁上开一小孔，此小孔即具有绝对黑体性质:所有进入小孔的辐射能，在多次反射过程中几乎全部被内壁吸收。小孔面积与空腔内壁面积之比越小，小孔越接近黑体。当它们的面积比小于0.6%，空腔内壁的吸收率为0.8时，则小孔的吸收率A大于0.998，非常接近黑体。

多开口方腔内自然对流的流动与传热特性

万方数据

第４期王长宏等：多开口方腔内自然对流的流动与传热特性?８３１? 引言研究多开口方腔内的自然对流，在建筑室内通风与节能、楼梯井火灾的传播、电子元件的冷却、微电子先进封装电镀过程的热一质传递以及许多化工过程中换热设备的节能等领域都具有广泛的应用与重要意义［１～３。与封闭方腔内的流体流动相比较，开口方腔内的流体由于受腔内、外流体密度及腔体各种物理参数影响，使得流体流动规律更具复杂性。所以，掌握方腔内流体的流动与换热特性是优化工程设计参数的有效途径。自２０世纪８０年代始，开口方腔内的自然对流问题就引起了国内外研究者的注意。其中，Ａｎｄｅｒｓｅｎ［５１假设方腔为内部流体充分混合、密度是统一的单区域，并从理论上推导了其内部流体的流动状况；Ｍｉｙａｍｏｔｏ等［６卅把单区域模型发展为双区域模型，通过理论推导和小规模的实验验证分析流体流动特性与物理参数的关系；Ｌｉ等［９以１１改进前人的模型，并研究多层次开口与中和面位置的关系。Ａｗｂｉ等［１２。”１采用数值模拟方法研究区域内流体流动规律。本文以三开口方腔模型作为研究对象，热源驱动流体流动，因此流体密度随温度线性变化，通过ＣＦＤ模拟计算，分析比较开口方腔内不同热源强度下４种通风模式的气流流动特性和换热规律。１理论模型与求解１．１物理模型为了研究开口方腔内热源驱动的流体流动，在如图１所示边长为Ｈ的方腔内，左右边界上共开设３个开口，分别为顶部开口Ｕ０（ｕｐｐｅｒｏｐｅｎ—ｉｎｇ）、中部开口Ｍ０（ｍｉｄｄｌｅｏｐｅｎｉｎｇ）、Ｐ底部开口ｆＬ——＋ｊ卜—一图１三开口方腔物理模型Ｆｉｇ．１ＰｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｅｎｃｌｏｓｕｒｅｗｉｔｈｐａｒｔｉａｌｏｐｅｎｉｎｇｓＢＯ（ｂｏｔｔｏｍｏｐｅｎｉｎｇ）；开口长度均为Ｈ／ＩＯ，开口处的空气温度与外界温度相等，均为Ｔｏ，开口的流动参数由数值计算决定。除开口与热源以外的部分均可视为绝热固体壁面。线热源的尺度及其类型对气流流动范围存在影响，但对流体流动规律影响不大，所以本模型选择热源位于底部中心位置，长度为ｚ／Ｈ＝０．５，温度为Ｔｈ。本文主要研究了４种不同的开口通风模式，其通风模式及开口位置如图２所示。图２开口方腔通风模式Ｆｉｇ．２Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｏｆｅｎｃｌｏｓｕｒｅｗｉｔｈｐａｒｔｉａｌｏｐｅｎｉｎｇｓ１．２数学模型假定研究的自然对流流体为不可压缩、二维、层流，稳态；气流的热物性参数均视为常数，但密度随温度变化并遵循Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设ｍ］．根据以上两条假设，得到自然对流的量纲１控制方程一３Ｕ十一ａｖａｘａＹ—Ｏ（１）Ｖ、●，去（ｕｕ）＋壶（ｙＬ，）一一孺ａＰ＋Ｐ｝（乃ａ２ＦＵ＋襄等）（２）去（Ⅲ）＋品（ｗ）＝一蓦＋Ｐｒ（筹＋茅＋ＲＡＰｒＴ（３）去（Ｕ丁）＋品（ｗ）一祭＋筝（４）上述控制方程（１）～（４）中分别采用Ｈ、“。、Ａｔ＝Ｔｈ—Ｔｏ作为长度、速度和温度的量纲特征尺度。其中，（Ｘ，ｙ）＝（ｚ，Ｙ）／Ｈ，（【，，Ｖ＞＝（“，ｖ）／ｕ。，Ｐ＝ｐ／ｐｕ：，Ｔ＝（Ｔ—Ｔｏ）／Ａｔ分别是量纲１坐标、速度、压力和温度。热源强度Ｒａｙｌｅｉｇｈ数Ｒａ＝ｇｐＡｔＨ３／姬，物性参数Ｐｒａｎｄｔｌ数Ｐｒ＝ｖ／ａ，均为量纲１控制参数。　万方数据

自然对流关键设置

首先，Boussinesq假设比incompressible ideal gas假设，更易收敛。一般情况下选择这个假设即可。其次，对于Boussinesq假设有其适用范围，因为其假设流体密度是个定值，所以其主要用于流体密度变化小于20%的情况，也就是两壁面温差较小的情况，那么温差值有没有一个经验数据呢？有的，一般如果壁温与流体温度相差在200K以上，Boussinesq假设就不适用了。第三，incompressible ideal gas假设，其把流体密度看做随温度的变化而变化，所以其适用范围较广，对于Boussinesq假设不能适用的，就用这个假设。 4，solution method设置对于求解方法的设置，主要是对压力离散方法的选择，要选择PRESTO!或body force weighted选项。如下所示以上就是自然对流的关键设置，按照上述设置来进行模拟，完全可以得出浮升力的漩涡流，完毕！

对流换热与准则数

单相流体对流换热及准则关联式部分返回一、基本概念主要包括对流换热影响因素；边界层理论及分析；理论分析法（对流换热微分方程组、边界层微分方程组）；动量与热量的类比；相似理论；外掠平板强制对流换热基本特点。 1、由对流换热微分方程知，该式中没有出现流速，有人因此得出结论：表面传热系数h与流体速度场无关。试判断这种说法的正确性? 答：这种说法不正确，因为在描述流动的能量微分方程中，对流项含有流体速度，即要获得流体的温度场，必须先获得其速度场，“流动与换热密不可分”。因此表面传热系数必与流体速度场有关。 2、在流体温度边界层中，何处温度梯度的绝对值最大?为什么?有人说对一定表面传热温差的同种流体，可以用贴壁处温度梯度绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小，你认为对吗? 答：在温度边界层中，贴壁处流体温度梯度的绝对值最大，因为壁面与流体间的热量交换都要通过贴壁处不动的薄流体层，因而这里换热最剧烈。由对流换热微分方程，对一定表面传热温差的同种流体λ与△t均保持为常数，因而可用绝对值的大小来判断表面传热系数h的大小。3、简述边界层理论的基本论点。答：边界层厚度δ、δt与壁的尺寸l相比是极小值；边界层内壁面速度梯度及温度梯度最大；边界层流动状态分为层流与紊流,而紊流边界层内,紧贴壁面处仍将是层流,称为层流底层；流场可以划分为两个区：边界层区（粘滞力起作用）和主流区，温度同样场可以划分为两个区：边界层区（存在温差）和主流区（等温区域）；对流换热热阻主要集中在热边界层区域的导热热阻。层流边界层的热阻为整个边界层的导热热阻。紊流边界层的热阻为层流底层的导热热阻。 4、试引用边界层概念来分析并说明流体的导热系数、粘度对对流换热过程的影响。

对流换热系数

对流换热系数流体与固体表面之间的换热能力，即物体表面与附近空气温差1℃、单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量。单位为W/(m^2·℃)。表面对流换热系数的数值与换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等都有密切关系。表面附近的气流速度愈大，其表面对流换热系数也愈大。如人处在风速较大的环境中，由于皮肤表面的对流换热系数较大，其散热（或吸热）量也较大。对流换热系数可用经验公式计算，通常用巴兹公式计算。对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即： q = h*(tw-t∞) Q = h*A*(tw-t∞) 式中： q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m^2； tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K； A为壁面面积，单位m^2； Q为面积A上的传热热量，单位W； h称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。对流换热系数h的物理意义是：当流体与固体表面之间的温度差为1K时，1m*1m壁面面积在每秒所能传递的热量。h的大小反映对流换热的强弱。如上所述，h与影响换热过程的诸因素有关，并且可以在很大的范围内变化，所以牛顿公式只能看作是传热系数的一个定义式。它既没有揭示影响对流换热的诸因素与h之间的内在联系,也没有给工程计算带来任何实质性的简化，只不过把问题的复杂性转移到传热系数的确定上去了。因此，在工程传热计算中，主要的任务是计算h。计算传热系数的方法主要有实验求解法、数学分析解法和数值分析解法。影响对流传热强弱的主要因素有： 1. 对流运动成因和流动状态； 2. 流体的物理性质（随种类、温度和压力而变化）； 3. 传热表面的形状、尺寸和相对位置； 4. 流体有无相变（如气态与液态之间的转化）。在不同的情况下，传热强度会发生成倍直至成千倍的变化，所以对流换热是一个受许多因素影响且其强度变化幅度又很大的复杂过程。

自然对流与强制对流及计算实例

自然对流与强制对流及计算实例热设计就是电子设备开发中必不可少得环节。本连载从热设计得基础——传热着手，介绍基本得热设计方法。前面介绍得热传导具有消除个体内温差得效果。上篇绍得热对流，则具有降低平均温度得效果。下面就通过具体得计算来分别说明自然对流与强制对流得情况。首先，自然对流得传热系数可以表述为公式（2）。热流量=自然对流传热系数×物体表面积×（表面温度-流体温度） (2) 很多文献中都记载了计算传热系数得公式，可以把流体得特性值带入公式中进行计算，可以适用于所有流体。但每次计算得时候，都必须代入五个特性值。因此，公式（3）事先代入了空气得特性值，简化了公式。自然对流传热系数 h=2 、51C（⊿T/L）0、25（W/m2K） (3) 2、51就是代入空气得特性值后求得得系数。如果就是向水中散热，2、51需要换成水得特性值。公式（3）出现了C、L、⊿T三个参数。C与L从表1中选择。例如，发热板竖立与横躺时，周围空气得流动各不相同。对流传热系数也会随之改变，系数C 就负责吸收这一差异。代表长度L与C就是成对定义得。计算代表长度得公式因物体形状而异，因此，在计算得时候，需要从表1中选择相似得形状。

需要注意得就是，表示大小得L位于分母。这就表示物体越小，对流传热系数越大。 ⊿T就是指公式（2）中得（表面温度-流体温度）。温差变大后，传热系数也会变大。物体与空气之间得温差越大，紧邻物体那部分空气得升温越大。因此，风速加快后，传热系数也会变大。公式（3）叫做“半理论半实验公式”。第二篇中介绍得热传导公式能够通过求解微分方程得方式求出，但自然对流与气流有关，没有完全适用得理论公式。能建立理论公式得，只有产生得气流较简单得平板垂直放置得情况。因为在这种情况下，理论上得温度边界线得厚度可以计算出来。但就是，如果发热板水平放置，气流就会变得复杂，计算得难度也会增加。这种情况下，就要根据原始得理论公式，通过实验求出系数。也就就是说，在公式（3）中，理论计算得出得数值0、25可以直接套用，C得值则要通过实验求出。自然对流传热系数无法大幅改变