[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計精品] 基于有限元的水平圓管道外空氣自然對流的數(shù)學(xué)模型設(shè)計.doc

畢業(yè)論文(設(shè)計)-1-1緒論1.1引言自然界和工程技術(shù)問題中存在著大量因為溫度差引起的密度差異，最終導(dǎo)致流體發(fā)生運動的現(xiàn)象，大到影響整個地球環(huán)境和氣候變遷的大氣層環(huán)流，海洋中的洋流，小到生活中每天用的電冰箱的冷卻器，冬季采暖的散熱器，以及工業(yè)上許多未加強迫流動措施的散熱裝置，像電力變壓器，架空熱力管道和輸電線，以及大量電子元器件的肋片式散熱器，電廠內(nèi)的蒸汽管道，換熱站的換熱器，以及在鍋爐的空氣預(yù)熱器中，等等。某些場合，自然對流散熱可能成為能否保證設(shè)備安全的關(guān)鍵因素，更重要的是，在某些場合，自然對流換熱可能成為保證人身設(shè)備安全的關(guān)鍵因素，例如核反應(yīng)堆的失水事故始終是對人員和設(shè)備安全最重要的潛在威脅之一，要保證絕對安全，就必須做到即使在滿負荷情況下突然停泵，沒有冷劑補充也不執(zhí)行任何人工操作，靠一回路流體的自然對流也能把堆芯的剩余衰變熱量帶出來，使堆芯不致出現(xiàn)過熱。在沒有強制的流動速度而流體內(nèi)仍存在對流流動的情況，這種情況稱之為自由運動或自然對流。因為自然對流牟流速一般遠小于強迫對流的相應(yīng)的速度，相應(yīng)的對流傳遞速率也小，這也許會使人們認(rèn)為自然對流過程不大重要。其實應(yīng)消除這種誤解，在許多含有多種傳熱效應(yīng)的系統(tǒng)中，自然對流引起的傳熱熱阻最大，并且在一些工程應(yīng)用上還必需用自然對流而非強迫對流，比如空氣中的輸電線，而且自然對流不用投入一些動力，而是流體本身密度差引起的，所以可以降低運行費用。自然對流有很多用途，它在很大程度上影響管道，輸電線路以及各種電子設(shè)備上的散熱，自然對流都很重要的，自然對流也與環(huán)境科學(xué)有關(guān)，在環(huán)境科學(xué)中自然對流引起海洋和大氣運動，并影響與之有關(guān)的熱量交換和質(zhì)量交換過程。1.2對流傳熱的定義及分類1.2.1對流傳熱的定義熱對流是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷，熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對流僅發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時在進行著不規(guī)則的熱運動，因而對流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。工程上特別感興趣的是流體流過物體表面是流體與物體表面之間的熱量傳遞過程，并稱之為對流傳熱1。畢業(yè)論文(設(shè)計)-2-流體流過固體表面時流體與固體間的熱量交換稱為對流傳熱。對流傳熱的換熱量用牛頓冷卻公式計算。對單位面積有thq（1-1）其中h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，t為壁面溫度和流體溫度的溫度差，q為熱流密度，單位是w/m2k。對于面積為A的接觸面mtAh（1-2）其中h為對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，tm為換熱面A上流體與固體表面的平均溫度差。工程計算中無論流體被冷卻還是被加熱，化熱量總是取正值，因此t及tm也取正值。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與對流傳熱過程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性以及換熱表面的形狀，大小與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。在表1-1中給出了幾種對流傳熱過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值的大致范圍1。表1-1對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致范圍過程h/)W/(m2K自然對流：空氣110水2001000強制對流：氣體20100高壓水蒸氣50035000水10001500水的相變換熱：沸騰250035000蒸氣凝結(jié)5000250001.2.2對流傳熱的分類對流傳熱現(xiàn)象可以分為有相變與無相變的對流傳熱。在有相變對流傳熱中可分為沸騰傳熱和凝結(jié)傳熱。沸騰傳熱可以分為大容器沸騰傳熱和管內(nèi)沸騰傳熱。凝結(jié)傳熱可分為管外凝結(jié)傳熱和管內(nèi)凝結(jié)傳熱。在無相變的對流傳熱中可分為混合對流、強制對流與自然對流。強制對流可分為內(nèi)部流動傳熱與外部流動傳熱。自然對流傳熱可分為大空間自然對流傳熱和有限空間自然對流。1.3研究對流傳熱的意義求解對流傳熱問題的工程目的，是要得出對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計算規(guī)畢業(yè)論文(設(shè)計)-3-律。為了得出，關(guān)鍵是要獲得流體中的溫度分布。因而從傳熱學(xué)的基本原理來說求解導(dǎo)熱與對流傳熱問題的實質(zhì)都是要獲得物體中的溫度場。只是對于對流傳熱，由于理論求解是用非線性偏微分方程，其難度很大，因此主要采用實驗測定的方法。而封閉空腔內(nèi)的自然對流換熱是數(shù)值傳熱學(xué)里的經(jīng)典課題，這種流動屬于作用密度梯度上的體積力引起的一種浮力誘發(fā)運動，而密度梯度本身又因為流體里的質(zhì)量濃度梯度與溫度梯度或二者之一所引起，其所描述的現(xiàn)象在許多工程實踐中都能遇到，因此精確分析各種條件下的封閉空腔內(nèi)的自然對流換熱問題具有重要的實用價值2。1.4對流傳熱的影響因素影響對流傳熱的因素就是影響流動的因素及影響流體中熱量傳遞的因素。這些因素歸納起來可以分為以下五個方面。（1）流體有無相變在流體沒有相變時傳熱中的熱量交換是由于流體顯熱的變化而實現(xiàn)的，而在有相變的換熱過程中（如沸騰或凝結(jié)），流體相變熱（前熱）的釋放或吸收常常起主要作用，因而傳熱規(guī)律與無相變時不同。（2）流體的流動狀態(tài)流體力學(xué)的研究已經(jīng)查明，粘性流體存在兩種不同的流態(tài)層流和湍流，層流時流體微團沿著主流方向作規(guī)則的分層流動，而湍流時流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，因而在其他條件相同時湍流傳熱的強度自然要較層流時強烈。（3）換熱表面的幾何因素這里的幾何因素指的是換熱表面的形狀、大小、換熱表面與流體運動方向相對位置以及換熱表面的狀態(tài)（光滑或粗糙），例如圖1-1(A)所示的館內(nèi)強制對流流動與流體橫掠圓管的強制對流流動是截然不同的。前一種是管內(nèi)流動，屬于所謂內(nèi)部流動的范圍；后一種是外掠物體流動，屬于所謂外部流動的范圍。這兩種不同流動條件下的換熱規(guī)律必然是不相同的。在自然對流領(lǐng)域里，不僅幾何形狀，幾何布置對流動赤有決定性影響，例如圖1-1(B)所示的水平壁，熱面朝上散熱的流動與熱面朝下散熱的流動就截然不同，它們的換熱規(guī)律也是不一樣的1。畢業(yè)論文