cfd项目报告-光滑管与横纹管流动与传热仿真研究

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1、目录1引言11.1强化传热概述11.2CFD和NHT概述22问题描述及对其建立模型42.1问题描述42.2模型的建立52.2.1控制方程和边界条件52.2.2网格划分53结果与讨论63.1模型的验证63.2光滑管与横纹管流动与传热性能对比73.3横纹间距对横纹管流动和传热的影响93.4横纹深度对横纹管流动和传热的影响103.5横纹间距和深度对横纹管流动传热的综合影响114总结与展望134.1总结134.2展望13参考文献1414光滑管与横纹管流动与传热仿真研究摘要：本文利用通用软件FLUENT研究光滑管和横纹管流动传热的仿真研究。本文对比了光滑管和横纹管的流

2、动传热性能，并研究了横纹管的横纹间距和深度对其的影响。研究发现：所研究的横纹管有一定的强化传热性能，但是需要较高压差，即需要较大的阻力。关键字：数值计算；横纹管；流动传热1引言1.1强化传热概述强化换热技术是提高换热器换热效率，降低制造成本的主要途径。换热器的设计过程是相当复杂的，因为设计者不仅要考虑换热设备的使用寿命以及制造成本，同时还要分析换热器的换热量、压力损失方面的问题。当换热管使用附加部分来增强换热时，压力损失也会随着换热量的增加而增加，因此，为了使改装后的换热器的换热效率达到最优，设计者应该要协调换热量和由压力损失引起的成本消耗之间的关系。一般来

3、说，增强换热的方法主要分为三类，分别为主动强化技术、被动强化技术和混合强化技术。（a）主动强化技术需要在系统中额外的输入能量来增强换热，主要包括电、磁场、机械诱导脉动、表面振动、流体振动、射流或者抽吸等。这种技术不仅增加了换热量，同时也增加了外部能源的消耗，因此在工程实际应用中通常不建议使用此方法。（b）被动强化技术是通过加入插入物或者使用附加装置来改变流道的表面或者几何结构来增强换热的，主要包括扰流组件、涡旋流装置、处理表面、粗糙表面、扩展表面、位移增强装置、表面张力装置、气体及液体添加剂和盘管等。这种强化技术除了工质流动所消耗的功率外，并不需要在系统中额

4、外的输入能量，14因此这种方法更符合工程实际的需要。（c）混合强化技术是上述两种方法的组合，例如将带有纽带的涡旋流装置与粗糙表面组合，流体振动与粗糙表面组合，纽带插入装置与粗糙表面组合等。其中本文主要对被动强化技术中的粗糙表面进行分析研究。粗糙表面：是将换热管或者流动通道的表面进行加工，使它们的表面形成具有一定规律的、粗糙的、凸出壁面的微元体，主要结构如图1-1所示。图1-1几种粗糙表面结构1.2CFD和NHT概述计算流体力学（CFD）和数值传热学（NHT）主要是运用数值模拟的方法来计算流动、传热和传质等过程中所遵循的控制微分方程，从而获得计算区域的速度场、

5、温度场和浓度场及其它参数的一门学科。CFD和NHT的基本思想是：把原来在空间与时间坐标中连续的物理场，用一些有限个离散点上的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间的代数方程（称为离散方程），求解所建立起来的代数方程以获得所求解变量的近似值。此思想可参照图1-2。在流动与传热计算中应用较广泛的数值方法有：有限差分法，有限容积法，有限元法，有限分析法等。其中有限容积法和有限元法运用最为广泛，对于流动传热问题有限容积法较好，对于固体力学问题有限元法较好。大型通用软件如FLUENT、PHOENICS等采用有限容积法，COMSOL采用有限元法，如何

6、选择方法取决于物理问题的本质。本文采用FLUENT14软件对问题进行求解分析，现对有限容积法和FLUENT进行简要概述。有限容积法是将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段的分布的分布剖面。从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解重建离散方程线性问题是否解的分析初始与边界条件离散化解是否收敛求解离散方程建立离散方程区域离散化建立

7、控制方程、确定初始条件与边界条件图1-2物理问题数值求解的基本过程的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/14变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。FLUENT经过多年的发展，具有实用性好、计算稳定和精度高等

8、有点。其缺点是由于其通用性对于某些特殊物理问题的求解