三维瞬态方形管流的热流固耦合数值模拟

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1、第27卷第6期Vol.27No.6工程力学2010年6月June2010ENGINEERINGMECHANICS232文章编号：1000-4750(2010)06-0232-08三维瞬态方形管流的热流固耦合数值模拟*张健，黄晨光(中国科学院力学研究所，北京100190)摘要：以主动冷却发动机壁板为模型，考虑受均匀热流载荷作用下方形管在流体冷却过程中的共轭传热问题，建立了防热涂层、固体管道和冷却液的三维耦合模型。利用数值离散方法进行了瞬态热流固耦合分析，得到了固体结构和流场的瞬态温度场、界面热流及结构应力分布规律。结果表明：在冷却液的作用下结构温度能达到稳定值，但油

2、冷情况下稳态温度值高于水冷情况；在流固界面处温度沿流向逐渐上升，且壁面热流分布在界面上下表面处随时间变化情况不同，在结构边角处出现较大的应力集中。关键词：热流固耦合；瞬态传热；热应力；层流；湍流中图分类号：O343;O359文献标识码：ANUMERICALSIMULATIONOF3-DTRANSIENTTHERMO-FLUID-SOLIDCOUPLEDFLOWINARECTANGULARCHANNEL*ZHANGJian,HUANGChen-guang(InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100

3、190,China)Abstract:Inthispaper,theconjugativeheattransferinaregenerativecoolingstructureisinvestigatednumericallybyusingtheFEMandCFDsoftware.Thedistributionandevolutionofthetemperatureinthesolidandcoolant,theinterfacialheatflux,andthestressstateandthedeformationofthiscoolingstructurea

4、reobtained.Theseresultsshowthatthethermalequilibriumofthecoolingstructurecanbeachievedinagivenflowcondition,andthewaterismoreeffectiveasacoolantbycomparingwiththekerosene.Atthesametime,anobviousstressconcentrationisexhibitedinthecornerofarectangularpipeline,whichpromptsamoreelaborated

5、esigningofthiscoolingstructure.Keywords:thermo-fluid-solidcoupledmethod;transientheattransfer;thermalstress;laminar;turbulent结构在高温环境下的热防护在工程实际中受和固体热物理性质的无量纲参数组合，并提出在非到广泛关注，用冷却通道内的液体带走热量的主动稳态共轭传热问题中，流固两种物质在界面处的耦[2]冷却方式是一种常用的方法。该过程包括结构本身合影响必须考虑。Rizk等获得了二维情况下流体的热传导、流体和固体的界面传热和管道内流体的流过加热平

6、板的稳态耦合传热问题的理论解，并通流动与传热，是一个典型的流固耦合共轭传热问过数值分析发现Peclet数、热导率比以及热边界条题。有许多学者对流体-固体共轭传热问题进行了理件类型对固体表面的温度和热流分布有明显影响，[1―11][1]论、实验和数值计算方面的研究。Chida对共且理论和数值解吻合得很好。文献[3―7]分别研究轭传热问题进行了量纲分析，得到了同时考虑流体了不同热边界条件下完全发展的层流管流的共轭———————————————收稿日期：2008-11-05；修改日期：2010-02-01基金项目：国家自然科学基金项目(10972228)作者简介：*张健

7、(1982―)，男，湖南人，博士，主要从事热流固耦合及激光与物质相互作用机理研究(E-mail:zhangjian19822@sina.com)；黄晨光(1969―)，男，湖北人，研究员，博士，博导，中国科学院力学研究所副所长，主要从事冲击动力学、激光与物质的相互作用以及结构动力学等方向的研究(E-mail:huangcg@imech.ac.cn)；工程力学233[4]稳态传热问题。其中，Al-Zaharnah等研究了不同考虑到问题的对称性，取单根管道的一半结构Prandtl数和不同导热比对完全发展的层流管流与进行分析，如图1(c)，其相应的有限元模型如图1(d)

8、管道之间的