fluent流--固耦合傳熱

1、一兩端帶法蘭彎管置于大空間內(nèi)，管外壁與空氣發(fā)生自然對流換熱；內(nèi)通煙氣并與管內(nèi)壁發(fā)生強制對流換熱。結(jié)構(gòu)和尺寸及其它條件如圖。計算任務(wù)為用計算流體力學/計算傳熱學軟件Fluent求解包括管內(nèi)流體和管壁固體在內(nèi)的溫度分布，其中管壁分別采用薄壁和實體壁兩種方法處理。所需的邊界條件采用對流換熱實驗關(guān)聯(lián)式計算。要求在發(fā)動機數(shù)值仿真實驗室的計算機上完成建立幾何模型、生成計算網(wǎng)格、建立計算模型、提交求解、和結(jié)果后處理等步驟，并分別撰寫計算任務(wù)的報告，計算報告用計算機打印。計算報告包括以下與計算任務(wù)相關(guān)的項目和內(nèi)容：(1)傳熱過程簡要描述 包括傳熱方式、流動類型等；(2)計算方案分析 包括所求解的控制方程及其簡

2、化、邊界條件及其確定方法和主要計算過程；(3)計算網(wǎng)格簡報 包括網(wǎng)格劃分方案、單元拓撲、單元和節(jié)點數(shù)量、網(wǎng)格質(zhì)量等；(4)計算模型描述 包括流體物性、邊界條件、湍流模型、輻射模型及近壁處理等；(5)求解過程簡報 包括求解方法、離散格式、迭代過程監(jiān)控、收斂準則等；(6)計算結(jié)果及分析 給出下列圖表和數(shù)據(jù)：w縱剖面和中間彎管45方向橫剖面上的溫度、溫度梯度、速度分布圖，以及法蘭和中間彎管處的局部放大圖。w管內(nèi)壁面上的溫度、熱流密度和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布，包括三維分布和沿管長度方向上的分布。w總熱流量。w由2種數(shù)值計算方法求得管內(nèi)外煙氣和空氣之間換熱的平均傳熱系數(shù)和煙氣出口溫度，并與工程算法得到的數(shù)值對

3、比。1、傳熱過程簡述計算任務(wù)為用計算流體力學/計算傳熱學軟件Fluent求解通有煙氣的法蘭彎管包括管內(nèi)流體和管壁固體在內(nèi)的溫度分布，其中管壁分別采用薄壁和實體壁兩種方法處理。在進行分析時要同時考慮導(dǎo)熱，對流，熱傳遞三種傳熱方式。（1） 、直角彎管內(nèi)外壁間的熱傳導(dǎo)。注意：如果是按薄壁方法處理時不用考慮該項，此時管壁厚度可以忽略，內(nèi)壁和外壁溫差幾乎為零。（2） 、管子外壁與環(huán)境發(fā)生的自然對流換熱。由于流體浮生力與粘性力對自然對流的影響，橫管與豎管對流換熱系數(shù)略有不同的。計算公式也不一樣。同時，還有內(nèi)壁同煙氣發(fā)生的強制對流換熱。（3） 、管子外壁和大空間（環(huán)境）的輻射換熱通過進氣溫度和流量，我們可以

4、推斷出管內(nèi)煙氣為湍流流動。這在隨后的計算中可以得到證實。2、 計算方案分析（1） 、控制方程及簡化質(zhì)量守恒方程：它表述的是單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。對定常不可壓縮流動該方程可簡化為動量守恒方程： 該方程的依據(jù)是，微元體中的流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。式中、是動量方程中的廣義源項。和前面一樣上式可以簡化為： 能量守恒方程其依據(jù)四能量守恒定律：微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加上體力與面力對微元體所做的功。：流體導(dǎo)熱系數(shù)； ：流體內(nèi)熱源：由于粘性作用，機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分；對本題可化為：（2） 邊界條件

5、的定義1） 發(fā)生在管內(nèi)、外壁上的對流換熱屬于第三類邊界條件2） 彎管兩端法蘭截面是絕熱的，屬于第二類邊界條件（熱流量為零）3） 外表面的輻射換熱邊界條件1） 內(nèi)壁上強制對流換熱系數(shù)查閱資料確定700K煙氣的熱物性參數(shù)如下；又已知：煙氣流量，管的內(nèi)直徑由；A為流道截面積，為煙氣流速，煙氣比熱容比 ，當?shù)芈曀?，則，則，當時，氣體可是為不可壓流體而雷諾數(shù)，（管內(nèi)煙氣為湍流流動）管內(nèi)湍流換熱實驗關(guān)聯(lián)式實用上使用最廣的是迪貝斯貝爾特公式： 加熱流體時 ， 冷卻流體時 。 式中: 定性溫度采用流體平均溫度，特征長度為管內(nèi)徑。將數(shù)據(jù)代入上式得 得到強制對流換熱系數(shù)2） 外壁自然流換熱系數(shù)、自然對流試驗關(guān)聯(lián)

6、式：， 其中、 【查表】，注意：對于豎管段特征長度取管長，橫管特征長度取管直徑。定性溫度采用， 查表知500K時干空氣熱物性參數(shù)：、得豎管對流換熱系數(shù)，代數(shù)數(shù)據(jù)得同理得橫管段，則c=0.48, 注：橫管的 C=0.48 （必須知道中l(wèi)的含義，以及中l(wèi)的含義）3、網(wǎng)格簡報本模型用UG進行建模，采用GAMBIT來劃分網(wǎng)格。一般說來，網(wǎng)格越密越能保證精確的計算結(jié)果。但我們也要具體問題具體分析，針對不同模型采用不同的處理方法。在硬件配置允許的條件下，畫出合理的高質(zhì)量的網(wǎng)格。（1）網(wǎng)格劃分方案 1）管體是狹長規(guī)則幾何體，優(yōu)先采用四邊形（quadrilateral）、六面體網(wǎng)格（hexahedral ce

7、lls），它們相比較其他類型網(wǎng)格允許較大的縱橫比。幾何體彎曲部分要給以加密，修正由彎曲造成的網(wǎng)格放大。 2）由傳熱及流動過程界定網(wǎng)格布局：首先，我們想到的是彎管的內(nèi)壁，此處煙氣和管壁發(fā)生強制對流換熱。溫度變化很大，所以需要較密的網(wǎng)格?？梢酝ㄟ^劃分邊界層網(wǎng)格的手段得到沿半徑方向成比例漸變的網(wǎng)格。如圖aa.邊界層網(wǎng)格劃分其次，考慮到流體進入拐角后流動情況復(fù)雜，也有必要對該處的網(wǎng)格加密。需要先對線來進行網(wǎng)格劃分，即由控制線上節(jié)點的數(shù)量來對拐角處體網(wǎng)格疏密進行控制。注：該線需是彎管面沿軸向的分割線，可以通過split face命令將彎面沿著軸向方向虛擬分割。再利用cooper命令畫出的彎管部分的網(wǎng)格如

8、圖bb.中間段網(wǎng)格最后給各個面設(shè)定邊界條件并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。注:若發(fā)現(xiàn)負體積需要重新劃分網(wǎng)格改變網(wǎng)格布局。因為負體積將直接導(dǎo)致基于有限體積法的fluent得出錯誤結(jié)果。（2）單元和節(jié)點統(tǒng)計 25440 hexahedral cells, zone 2, binary. 96404 hexahedral cells, zone 3, binary. quadrilateral interior faces, zone 20, binary. 12320 quadrilateral wall faces, zone 1, binary. 12320 quadrilateral wall faces,

9、 zone 23, binary. 560 quadrilateral wall faces, zone 4, binary. 5320 quadrilateral wall faces, zone 5, binary. 2600 quadrilateral wall faces, zone 6, binary. 4000 quadrilateral wall faces, zone 7, binary. 160 quadrilateral wall faces, zone 8, binary. 160 quadrilateral wall faces, zone 9, binary. 313

10、 quadrilateral interior faces, zone 10, binary. 80 quadrilateral interior faces, zone 11, binary. 313 quadrilateral interior faces, zone 12, binary. 80 quadrilateral interior faces, zone 13, binary. 313 quadrilateral interior faces, zone 14, binary. 80 quadrilateral interior faces, zone 15, binary.

11、313 quadrilateral interior faces, zone 16, binary. 80 quadrilateral interior faces, zone 17, binary. 313 quadrilateral outflow faces, zone 18, binary. 313 quadrilateral velocity-inlet faces, zone 19, binary. 63440 quadrilateral interior faces, zone 21, binary. 12320 shadow face pairs, binary. nodes,

12、 binary. node flags, binary.（3）網(wǎng)格單元質(zhì)量Equisize skew質(zhì)量類型時最差網(wǎng)格質(zhì)量值為0.40125EquiAngle skew質(zhì)量類型時最差網(wǎng)格質(zhì)量值也為0.40125可見網(wǎng)格質(zhì)量很好。、計算模型描述高質(zhì)量的網(wǎng)格為隨后的計算提供了有力保障，但僅這樣還不夠。針對不同模擬對象我們還需要選擇不同的計算方式，這就需要對計算模型進行描述。其中主要是邊界條件、湍流模型、近壁處理。(1)流體物性查資料得700K煙氣的熱物性如下；(2)邊界條件 1）法蘭管端面為絕熱，熱流量為零。定義名稱為flux_1、flux_2 2）由于橫管豎管自然對流換熱系數(shù)不同，需要分別定義：

13、豎管對流換熱系數(shù)命名為up_conv，值為；橫管對流換熱系數(shù)命名為down_conv，值為；彎曲段對流換熱系數(shù)elbow_conv取前兩者的平均；入口命名為inlet，取 速度入口 V=150.1m/s內(nèi)壁命名為inner_wall，對流換熱系數(shù)值為管子外表面輻射率和吸收率均取0.8(3)湍流模型目前湍流模型有四種：Spart-Alpla單方程模型；K-e 雙方程模型；雷諾應(yīng)力模型；大渦模擬模型。 單方程模型在這幾種模型的中的計算量最小，它是一種剛剛發(fā)展起來的湍流模型，主要針對于航空流體機械的數(shù)值模擬，對于其他復(fù)雜流動的計算還沒有經(jīng)過驗證雙方程湍流模型能夠比較準確地模擬各種復(fù)雜流動，而且計算量

14、也在工程可以接受的范圍；標準k-模型解決一般的流動問題，RNG k-模型主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)坐標系下的流動問題（旋轉(zhuǎn)機械），Realizable k-模型主要用于射流、大分離、回流等問題。雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬主要應(yīng)用于湍流運動的機理研究中，由于計算量非常大，因此目前還很少用于有復(fù)雜幾何形狀的工程問題中網(wǎng)格類型的選擇。本題采用工程中較常用的雙方程k-模型來進行湍流模擬。（4）近壁處理 對于粘性流動問題，F(xiàn)LUENT默認設(shè)置是壁面無滑移條件，但你也可以指定壁面切向速度分量（壁面平移或者旋轉(zhuǎn)運動時），也可以給出壁面切應(yīng)力從而模擬壁面滑移。根據(jù)當?shù)亓鲃忧闆r，可以計算壁面切應(yīng)力和與流體換熱情況。湍流流動在近

15、壁區(qū)域受壁面的影響很大。 通常有兩種方法來模擬近壁區(qū)域。一種方法是，不對粘性影響比較明顯的區(qū)域（粘性底層和緩沖層）進行求解，而是用一組半經(jīng)驗公式（即壁面函數(shù)）將近壁單元上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)相應(yīng)的物理量聯(lián)系起來，這就是壁面函數(shù)法。另一種方法就是通過修改湍流模型，使得對粘性影響的區(qū)域也通過網(wǎng)格進行求解，這就是近壁模擬的方法。本題計算保持默認值即可。 、 求解過程簡報（1）導(dǎo)入網(wǎng)格） 啟動fluent，選擇3D模式；） Grid=Check 讀入網(wǎng)格數(shù)據(jù)并檢查，確保網(wǎng)格最小體積不能為負，同時留意其他“警告”提示。必要時重新劃分網(wǎng)格。） Grid=Scale根據(jù)題目要求確定長度單位為mm；） Di

16、splay=Grid顯示網(wǎng)格，再次確認之前在gambit里定義的邊界條件。（2）定義模型及邊界） Define=Models=Solve 定義求解器 在gradient option項里選擇Least Squares Cell Based，其他項默認不變。）Define=Models=Energy 選擇能量方程并設(shè)置湍流模型，在Model項里選擇k-epsilon(2eqn)，點OK）Define=Materials 定義流體屬性 依次填入700K煙氣的Density（密度）、Cp（定壓比熱容）、Thermal Conductiviy（導(dǎo)熱系數(shù)）、Viscosity（動力粘度）。點Change

17、/Create完成設(shè)置。）Define=Boundary Conditions定義邊界條件 依據(jù)前面的計算結(jié)果輸入相應(yīng)邊界條件。注意，入口面速度默認是沿x軸正向的，隨幾何模型不同入口朝向也各不相同，應(yīng)根據(jù)實際情況定義。（3）求解） Solver=Initialize=Initialize 在Compute From項里選擇inlet，點Init完成初始化流場） 設(shè)置監(jiān)視窗口 Solver=Monitors=Residual定義殘差，在Options欄選取Plot，點OK Solver=Monitors=Surface Monitors 定義監(jiān)視面，這里取出口為監(jiān)視面，監(jiān)視出口的Turbulen

18、ce（湍流度）以及Mass-Weighted-Average（平均比重）File=Write=Autosave 設(shè)置自動保存，這里取每20次迭代自動保存一次 Solver=Iterate. 設(shè)置迭代次數(shù)500開始迭代，當?shù)?99次時達到收斂（這里未對殘差進一步設(shè)置，所以較快就收斂了）殘差迭代的圖出口流量監(jiān)視圖（4） 后處理為了達到較理想的顯示效果，采用了第三方軟件（Tecplot10）進行后處理?？梢钥闯鰪澒軐α黧w是否有影響；在中間段由于漩渦和粘滯阻力影響流體出現(xiàn)回流（由速度線分布得知）；同時總壓也有一定損失（由45剖面處的壓力分布可以明顯看到壓力徑向變化）。后處理圖如下縱截面溫度分度云圖（等溫線圖）入口法蘭縱截面溫度分布云圖（等溫線圖）出口法蘭縱截面溫度分布云圖（等溫線）中間彎管45剖面溫度云圖（等溫線圖） 彎管局部放大圖（溫度分布）管內(nèi)壁面溫度分布管內(nèi)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布Y-X方向管內(nèi)煙氣流動速度分布入口煙氣流速分布 出口煙氣流速分布45剖面壓力分布 45剖面速度分布由縱截面和入口、出口處溫度分布可知，隨著流體在管內(nèi)的流動，流體也不斷的向外傳熱，到出口處溫度已明顯降低了很多。6、總結(jié)經(jīng)過此次練習，我發(fā)現(xiàn)自己在理論以及實踐中還有很多地方需要努力。同時也有不少收獲。比如，幾何建模對之后畫網(wǎng)格的影響（建模時合理簡化模型有利于網(wǎng)格的建立）；還