换热器壳程流动与传热数值模拟理论知识简介

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1、换热器壳程流动与传热数值模拟理论知识简介2」流体流动基本控制方程流体介质的流动必然会受到物理学守恒定律的支配，流体介质的流动耍满足三个基本的物理量守恒定律，其分别为：物质的质量守恒定律和物质的动量守恒定律以及物质的能量守恒定律。如流体介质的流动屈丁•湍流流动状态，其还必须满足附加湍流输送的方程[38][39]o2.1.1质量守恒方程质量守恒定律可表述为：在单位时间里流体微元体内质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量何。质量守恒方程可表示为：=0dp[d(pu)

2、g(/?v)

3、d(pw)dtdxdydz(2-1)其中警+詈+瞥项是流体

4、质量流密度的散度。a^+a(£v)+£(xM=故以上公式口j以用矢量符号表示为:dxdydz等+加(pt/)=0(2-2)Jt屮，p—流体的密废，U一速丿更矢量，t一时间，"，v,w则分别是速废矢量U在x方向、尹方向、z方向的坐标分量。2.1.2动量守T旦方程动量守恒方程可表述为：微元体中流体动量对吋间的变化率，等于外界作用在该微元体上的各种力之和。d(pu)*8{puu}*d(pvu)*d(pwu)根据此项定律，流体在X、八Z方向动量守恒方程可表述为：、，,rdP111=pfHdtdxdydzdxd..du-..d-.dv6r,8wdxdxd

5、ydxdydzdxoz(2-3)d{pu)d(puu)d(pvu)d(pwu)rdP+++=A/v-—+dydwdv1—+dtexdydzddu-ddvduddwdv—(2//—+^divU)+—[//(—+—)]+—[A(—+—)]dyoydxexdydzdyoz(2-4)d(pw)d(puw)8(pvw)3(/7vvvv)_OPz方向：dtdxdydzdzdz_dv-dr,duQw、_,dr,dw—(2^—+^^vt/)+—[//(—++dzdzexczexdycyoz(2-5)其中，“表示流体动力粘度，/表示流体单位质量体积力，无则称为

6、流体第二分子粘度，对于气体可以取为X=-2/3[4I]令grad()=5()/Sr+3()/Sy+6()/dz,以上式子改成矢量表达式为:+(jiv(puU)=div(jLigradu)-—+S“dt8x(2-6)+div(pvU)=div(/jgradv)_辛+Sv(2-7)+div(pxvU)=div(/igradw)_—+Swdtdz(2-8)S“,为动量守恒方程的广义源项，其方程可表示为:s〃吕启)+?(“¥)+?(“¥)+?(咖/)oxoxoyoxozoxox(2-9)S严夕(罟)+夕(浮)+g(“譽)+?(加U)dxdydydyoz

7、dyoy(2-10)sw=4(“竿)+1(“y)4(^)4(加u)dxozdyozdzozdz(2-11)2.1.3能量守恒方程当一个流动的系统中有热量交换的情况卜，其必满足能量守恒方程。可以理解为：微兀体内能量的增加率等于进入微兀体的净热流量加上体力与而力对微兀体所做的功。根据此项定律，能量守恒方程用厂作变量可表示为：WpT)

8、MpuT)

9、gpvT)

10、O(pwT)dt8xdydz竺)+2(厶厶+@(厶竺)+S『dxCpdxdyCpdydCpdz(2-12)上式写成矢量形式为:WpT)dt+div(pUT)=div(gradT)+ST(2-13

11、)其中，c“一表示热容，几一表示流体导热系数，：T—表示温度，s^—表示粘性耗散项，是流体内热源和基于粘性的影响流体介质的机械能转换成热能的部分。2.2换热器的壳程流场理论计算基础2.2.1湍流模型介绍及分类湍流流动是一种非常复杂的非稳态的三维并冃带旋转的很不规则的流体流动。湍流流动屮流体介质的每一•项物理数据，如温度、速度、压力等参数都会随着吋间和空间的改变而发生变化。流体的湍流现象在自然界中非當普遍。空气的流动、海水的流动，船只的绕流，化学反应器屮流体的流动都是湍流现象问。在物理机理上来看，我们可以将流体介质的湍流看作是多个尺度大小不同的涡

12、旋相互间的叠合，每个涡旋的旋转方向和涡旋大小的分布是变化的。尺度比较大的涡旋大体上取决于流体流动的边界条件，其本身大小与流场尺寸大小差不多，它的存在造成了低频脉动；尺度相对较小的涡则大体上取决于流体的黏性力,它的尺寸也许只有流场尺寸千分之几大小，但它却是造成高频脉动的原因沏。尺度较大的涡旋逐渐耗散变成尺度较小的涡，最终在流体黏性的影响下，尺度小的涡慢慢不断地变没。由此，流体介质所具有的机械能逐渐转化成流体的热能。此时，在边界层、速度梯度及扰动的影响下，乂慢慢地有新涡连续产生，如此一来就形成了流体的湍流。物理的脉动是湍流运动所具冇的一个非常重耍的

13、特征。要解决湍流问题菲稳态纳维-斯托克斯方程是很适合的MC45]O流体的湍流运动是生活上非常普遍的一种流动现象，在很多实际项n中流体流动大都处于湍流运