大容量液体恒温槽温度场和流场的数值模拟.pdf

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1、第36卷第5期河南科技大学学报：自然科学版Vo1．36No．52015年10月JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology：NaturalScienceOct．20l5文章编号：1672—6871(2015)05—0036—06大容量液体恒温槽温度场和流场的数值模拟甄瑞英，尹建国，赵贯甲，吕萍，马素霞(太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030024)摘要：针对传统恒温槽流动均匀性的设计需要进行大量试验和测试的I司题，本文利用fluent软件，采用

2、重整化群(RNG)一s湍流模型，对大容量液体恒温槽内的流场和温度场进行了三维数值模拟。分析了搅拌器转速、搅拌器叶片角度、搅拌器数量以及整流栅孔隙率等结构和运行参数对恒温槽性能的影响。整流栅采用多孔介质模型处理。分析结果表明：采用从上到下依次为45。、30。和15。的变角度三层搅拌叶片，转速1500r／min，整流栅孔隙率为0．3071的双搅拌器结构恒温槽，有最佳的温度场和流场分布。检验结果表明：上述恒温槽工作区温度均匀度为4．5mK，与模拟结果基本吻合。关键词：恒温槽；重整化群k-e湍流模型；多孔介

3、质；数值模拟中图分类号：TQ027．2文献标志码：A0引言在高精度流体热物性实验研究中，恒温槽提供了稳定的实验环境，是必不可少的实验设备。恒温槽的性能往往成为流体热物性研究的关键。恒温槽的温度波动性和均匀性是评价其性能优劣的重要指标。各种研究表明：恒温槽的性能直接取决于其各项设计指标和运行参数。如文献[4]对大容量六面板加热高温空气恒温槽进行数值模拟发现：在200～500oC，为了保证槽内温度波动度为±25mK每15min，热板的温度波动必须控制在±0．2K以下。文献[5]通过数值模拟分析了混合区和

4、工作桶区分离的恒温槽性能，研究结果表明：当工作桶内流体流速为0．15m／s时，在桶高20～50cm区域内可满足恒温槽温场计量特性的要求。文献[6]对采用垂直加热列管的搅拌槽非稳态温度场分布进行了数值模拟后发现：温度分布的趋势主要取决于所用搅拌桨产生的流型、叶轮雷诺数、搅拌桨的安装高度等。目前，恒温槽结构设计主要依据来源于大量试验和测试，耗费很多人力和时间，采用数值模拟的方法分析恒温槽内流动特性，改进恒温槽流动性能研究的文献较少。基于以上背景，本文运用fluent软件，利用重整化群(RNG)k-6湍流

5、模型对大容量液体恒温槽内的流场和温度场进行了三维数值模拟。分析了搅拌器转速、搅拌叶片角度、搅拌器数量以及整流栅孔隙率对恒温槽性能的影响，以期对恒温槽性能的优化有所指导。1几何模型及计算方法1．1几何模型本文模拟的恒温槽采用搅拌区和工作区分离，中间布置整流栅的结构，如图l所示。恒温槽计算域结构尺寸为550mm×350mm×550mm(长×宽×高)长方体，其中，搅拌区尺寸为200mm×350mm×550mm，工作区尺寸为350mm×350mm×550mm。搅拌直径81mm，搅拌器长410mm，3层叶片分

6、别布置在3等分点和搅拌器底端。本文讨论了搅拌器转速、搅拌器叶片角度、搅拌器数量以及整流栅孔隙率等结构和运行参数对恒温槽性能的影响，其中，搅拌器分3种模型，分别是：3层叶片角度均为30。的搅拌器，3层叶片角度均为45。的搅拌器，从上到下3层叶片角度依次为45。、30。和l5。的变角度搅拌器。搅拌器旁是一根长300mm的加热器。整流栅是布孔方式为三角形布置的圆孔板。模拟介质为201-10基金项目：国家自然科学基金项目(51306127)；山西省科技基础条件平台建设基金项目(2013091010)作者简介

7、：甄瑞英(1986～)，男，山西太原人，硕士生；尹建国(1982一)，男，通信作者，山西平遥人，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为工程热物理．收稿日期：2015—02—03第5期甄瑞英，等：大容量液体恒温槽温度场和流场的数值模拟·37·甲基硅油。整流栅搅拌轴加热器1．2计算方法采用多重参考系法(MRF)解决静止部分和转动的搅拌叶片之间的相对运动问题，将整个计算域一分为二，搅拌叶片及其附近流体区域设置为旋转坐标系，其他流体区域设置为静止坐标系。通过交界面，两个区域实现动量、能量的交换。整流栅采用多孑

8、L介质模型并根据文献[7]提供的公式计算内部阻力系数c，公式中的相关系数参考文献[8—9]。搅拌区采用适用性较强的四面体非结构化网格划分，对内部动区域网格加密。整流栅和工作区网格采用图1恒温槽结构图六面体结构化网格划分。为便于对恒温槽内的流动换热进行数值模拟分析，作如下简化假设：(1)流体为不可压缩常物性；(2)流动为稳态流动；(3)不考虑黏性耗散和体积力；(4)不考虑加热器、壁面自然对流和辐射换热。采用RNGk-6模型计算湍流流动，该模型可以更好地处理高应变率及流线