《圆管自然对流计算和模拟(二)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《圆管自然对流计算和模拟(二)（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 学海无涯水平管和竖直管自然对流计算汇总1 计算工况表 2 变化曲线图 学海无涯 学海无涯圆管自然对流的计算和数值模拟已知条件如图1所示 将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自然对流换热 圆管外径D 38mm 长度L 1000mm 空气温度T 20C 恒壁温条件Tw 100 150 200 250 300C 求解自然对流换热系数和换热量以及对流换热时的空气最大速度 图1一 数值计算自然对流换热系数和换热量的计算圆管水平放置计算以壁温Tw 100 为例 计算过程如下 特征长度 D 0 038m 定性温度tm tw t 2 100 20 2 60C 查空气物性 0 029W m K 20
2、1 10 6m2s Pr 0 696空气的体积膨胀系数 v 1 tm 273 1 60 273 1333K 1 大空间自然对流的实验关联式为 1 1 Nu C GrPr n根据计算的格拉晓夫数Gr选择合适的常数C和n 表1 表1式 1 1 中的常数C和n 3 vw 2 tD g t 9 8 1 333 100 20 0 0383 格拉晓夫数Gr Gr 3 2 105 20 1 10 6 2 学海无涯 2 圆管垂直放置计算以壁温Tw 100 为例 计算过程如下 特征长度 H 1m定性温度tm tw t 2 100 20 2 60C 查空气物性 0 029W m K 20 1 10 6m2s Pr
3、 0 696空气的体积膨胀系数 v 1 tm 273 1 60 273 1333K 1 由式 1 1 和表1可得 Nu 0 48 GrPr 1 4 0 48 3 2 105 0 696 1 4 10 428h Nu 0 029 10 428 7 958W m2 K D38 10 3故水平圆管换热量 hA tw t 7 958 3 14 0 038 1 100 20 75 962W按照以上相同的步骤 在给定恒壁温100 150 200 250 300 的情况下 可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量 计算结果列于表2中 表2水平管计算工况表 3 vw 2 tL g t 9 8 1 333 1
4、00 20 13 格拉晓夫数Gr Gr 5 83 109 20 1 10 6 2 经验算 并不满足情况 应该按照文献 杨世铭 细长竖圆柱外及竖圆管内自然对流传热 中的关联式进行计算 表3竖圆柱自然对流关联式 由表1可得 先计算Ra1 4 D GrPr 1 4 D 5 83 109 0 696 1 4 0 038 9 59HH1 1 4 1 9 D 1 Nu 0 59 0 52 Ra1 4 H Ra1 4 0 59 0 52 9 59 5 83 10 0 696 162 594 表4水平管计算工况表 H H Gr1 4 学海无涯对于竖圆柱按照竖壁同用一个关联式必须满足 d 35 h Nu 0 0
5、29 162 594 4 715W m2 K H1故水平圆管换热量 hA tw t 4 715 3 14 0 038 1 100 20 45 008W按照以上相同的步骤 在给定恒壁温100 150 200 250 300 的情况下 可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量 计算结果列于表2中 学海无涯 2 水平管 H 和竖直管 V 自然对流换热系数和换热量的对比图形 计算结果分析由图2和图3可知 水平放置的圆管自然对流的换热系数和换热量都明显高于竖直放置的圆管 随着温度的增加 两者换热系数和换热量都逐渐呈线性增长 水平圆管自然对流换热系数相对增加较多 二 数值模拟水平圆管的数值模拟物理模型如
6、图4所示 本文采用的物理模型为大空间自然对流 外边界设置为压力出口边界 与大气相通 内边界为高温管道壁面 圆管直径按照实际尺寸设计 用ICEM CED建立的模型长为380mm 宽为380mm 圆管直径38mm 位于中心位置 学海无涯 图42 网格划分本次模拟的网格为结构化网格 ICEM网格划分需要对物理模型进行分块处理 block 块的划分采用O block O block易于对内边界做网格加密处理 块的划分和网格的生成如图5和图6所示 图5 恒温壁面 压力出口边界 20 空气 学海无涯 图6网格质量和网格无关性验证经网格无关性验证后 网格质量符合要求 网格划分合理 计算结果与分析自然对流是由
7、于空气温度差引起的密度差 从而产生浮升力推动空气运动的现象 实质属于可压缩流动 在Fluent中气体模型采用Boussinesq可以得到比较好的模拟结果 Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时间的函数 而能量方程中的密度视为常量 在Fluent中设置好参数和边界条件后 计算结果如下 壁温100 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 0 476m s 壁温150 模拟结果 学海无涯最大速度可在云图中直接读出 0 537m s 壁温200 模拟结果 最大速度可在速度云图中直接读出 0 585m s 壁温250 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 0 697m s
8、壁温300 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 0 736m s速度随着温度变化的汇总表 表5水平管最大速度计算工况表 结论分析 自然对流换热强弱取决于高温壁面温度与周围流体温度差的大小 温差越大 换热发展越迅速 流动越强烈 随着壁面温度的增加 最大空气流速也在随之增加 在温差的驱动下形成上升流 并在压差作用下上升流两侧形成漩涡 竖直圆管的数值模拟物理模型如图4所示 本文采用的物理模型为大空间自然对流 由于物理模型左右对称 故只需模拟其中的一侧即可 同样外边界设置为压力出口边界 与大气相通 内边界为高温管道壁面 圆管直径按照实际尺寸设计 用ICEM CED建立的模型长为2000mm
9、 宽为570mm 圆管直径38mm 位于中心位置 图272 网格划分本次模拟的网格为结构化网格 ICEM网格划分需要对物理模型进行分块处理 block 内边界的网格加密处理 块的划分和网格的生成如图28和图29所示 图28 压力出口边界恒温壁面 20 空气 学海无涯绝热 绝热 学海无涯 图29网格质量和网格无关性验证经网格无关性验证后 网格质量符合要求 网格划分合理 计算结果与分析自然对流是由于空气温度差引起的密度差 从而产生浮升力推动空气运动的现象 实质属于可压缩流动 在Fluent中气体模型采用Boussinesq可以得到比较好的模拟结果 Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时
10、间的函数 而能量方程中的密度视为常量 在Fluent中设置好参数和边界条件后 计算结果如下 壁温100 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 0 831m s 壁温150 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 1 05m s 壁温200 模拟结果 学海无涯 最大速度可在速度云图中直接读出 1 18m s 壁温250 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 1 29m s 壁温300 模拟结果 学海无涯 最大速度可在云图中直接读出 1 39m s速度随着温度变化的汇总表 表6竖直管最大速度计算工况表 结论分析 学海无涯自然对流换热强弱取决于高温壁面温度与周围流体温度差的大小 温差越大 换热发展越迅速 流动越强烈 随着壁面温度的增加 最大空气流速也在随之增加 在温差的驱动下形成上升流 并在压差作用下上升流两侧形成漩涡 水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度对比现将模拟的最大速度汇总 如表格7 表7最大速度对比表格 2 水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度曲线图 如图50 图50结论 竖直管的自然对流最大速度明显高于水平管自然对流的最大的速度 随着温度的增加 两者的最大速度都逐渐呈线性增加 且增加的幅度越来越小 学海无涯
