1、精選優質文檔-傾情為你奉上水平管和豎直管自然對流計算匯總1. 計算工況表 溫度工況計算結果100150200250300傳熱系數水平管7.9589.11510.04510.80311.527豎直管4.7155.3695.8996.3356.754換熱量 水平管75.962141.388215.734296.472385.128豎直管45.00883.390126.703173.860225.649最大速度水平管0.4760.5370.5850.6970.736豎直管0.8401.0501.1801.2901.3902. 變化曲線圖圓管自然對流的計算和數值模擬已知條件如圖1所示：將一圓管分別水平

2、放置和垂直放置在大空間中進行自然對流換熱，圓管外徑，長度，空氣溫度，恒壁溫條件，求解自然對流換熱系數和換熱量以及對流換熱時的空氣最大速度。圖1一、數值計算1. 自然對流換熱系數和換熱量的計算1) 圓管水平放置計算以壁溫為例，計算過程如下：特征長度：；定性溫度；查空氣物性：；空氣的體積膨脹系數： 格拉曉夫數：大空間自然對流的實驗關聯式為： （1-1）根據計算的格拉曉夫數選擇合適的常數和（表1）：表1 式（1-1）中的常數和加熱表面形狀與位置流動情況示意圖流態系數C和指數nGr數適用范圍Cn橫圓管層流0.481/41045.76×108過渡流0.04450.375.76×108

3、4.65×109湍流0.101/3>4.65×109由式（1-1）和表1可得： 故水平圓管換熱量：按照以上相同的步驟，在給定恒壁溫100,150,200,250,300的情況下，可以計算出相應的自然對流的換熱系數和換熱量，計算結果列于表2中：表2 水平管計算工況表 溫度工況計算參數100150200250300,7.9589.11510.04510.80311.527, 75.962141.388215.734296.472385.1282) 圓管垂直放置計算以壁溫為例，計算過程如下：特征長度： 定性溫度；查空氣物性：；空氣的體積膨脹系數： 格拉曉夫數：對于豎圓柱按照

4、豎壁同用一個關聯式必須滿足： 經驗算，并不滿足情況，應該按照文獻【楊世銘. 細長豎圓柱外及豎圓管內自然對流傳熱】中的關聯式進行計算。 表3 豎圓柱自然對流關聯式加熱表面形狀與位置流動情況示意圖關聯式適用條件豎圓管 由表1可得： 先計算 故水平圓管換熱量：按照以上相同的步驟，在給定恒壁溫100,150,200,250,300的情況下，可以計算出相應的自然對流的換熱系數和換熱量，計算結果列于表2中：表4 水平管計算工況表 溫度工況計算參數100150200250300,4.7155.3695.8996.3356.754, 45.00883.390126.703173.860225.6492. 水平

5、管（H）和豎直管（V）自然對流換熱系數和換熱量的對比圖形圖2換熱系數圖3換熱量3. 計算結果分析由圖2和圖3可知：1) 水平放置的圓管自然對流的換熱系數和換熱量都明顯高于豎直放置的圓管；2) 隨著溫度的增加，兩者換熱系數和換熱量都逐漸呈線性增長；3) 水平圓管自然對流換熱系數相對增加較多。二、數值模擬1. 水平圓管的數值模擬1) 物理模型如圖4所示，本文采用的物理模型為大空間自然對流，外邊界設置為壓力出口邊界，與大氣相通，內邊界為高溫管道壁面，圓管直徑按照實際尺寸設計。用ICEM-CED建立的模型長為380mm，寬為380mm，圓管直徑38mm，位于中心位置。壓力出口邊界恒溫壁面20空氣圖 4

6、2) 網格劃分本次模擬的網格為結構化網格，ICEM網格劃分需要對物理模型進行分塊處理（block），塊的劃分采用O-block，Oblock易于對內邊界做網格加密處理，塊的劃分和網格的生成如圖5和圖6所示。圖5網格加密圖64) 網格質量和網格無關性驗證經網格無關性驗證后，網格質量符合要求，網格劃分合理。5) 計算結果與分析自然對流是由于空氣溫度差引起的密度差，從而產生浮升力推動空氣運動的現象，實質屬于可壓縮流動。在Fluent中氣體模型采用Boussinesq可以得到比較好的模擬結果。Boussinesq近似是將動量方程中密度定義為時間的函數，而能量方程中的密度視為常量。在Fluent中設置好

7、參數和邊界條件后，計算結果如下：壁溫100模擬結果圖7 溫度云圖圖8 壓力云圖圖9 速度云圖圖10 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：0.476m/s。壁溫150模擬結果圖11 溫度云圖圖12 壓力云圖圖13 速度云圖圖14 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：0.537m/s壁溫200模擬結果圖15 溫度云圖圖16 壓力云圖圖17 速度云圖圖18 旋渦最大速度可在速度云圖中直接讀出：0.585m/s壁溫250模擬結果圖19 溫度云圖圖20 壓力云圖圖21 速度云圖圖22 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：0.697m/s壁溫300模擬結果圖23 溫度云圖圖24 壓力云圖圖25 速度云圖圖26 旋渦最

8、大速度可在云圖中直接讀出：0.736m/s速度隨著溫度變化的匯總表：表5 水平管最大速度計算工況表 溫度工況計算參數100150200250300, 0.4760.5370.5850.6970.736結論分析：1) 自然對流換熱強弱取決于高溫壁面溫度與周圍流體溫度差的大小，溫差越大，換熱發展越迅速，流動越強烈；2) 隨著壁面溫度的增加，最大空氣流速也在隨之增加；3) 在溫差的驅動下形成上升流，并在壓差作用下上升流兩側形成漩渦。2. 豎直圓管的數值模擬1) 物理模型如圖4所示，本文采用的物理模型為大空間自然對流，由于物理模型左右對稱，故只需模擬其中的一側即可，同樣外邊界設置為壓力出口邊界，與大氣

9、相通，內邊界為高溫管道壁面，圓管直徑按照實際尺寸設計。用ICEM-CED建立的模型長為2000mm，寬為570mm，圓管直徑38mm，位于中心位置。絕熱絕熱20空氣壓力出口邊界恒溫壁面圖 272) 網格劃分本次模擬的網格為結構化網格，ICEM網格劃分需要對物理模型進行分塊處理（block），內邊界的網格加密處理，塊的劃分和網格的生成如圖28和圖29所示。圖28網格加密圖 296) 網格質量和網格無關性驗證經網格無關性驗證后，網格質量符合要求，網格劃分合理。7) 計算結果與分析自然對流是由于空氣溫度差引起的密度差，從而產生浮升力推動空氣運動的現象，實質屬于可壓縮流動。在Fluent中氣體模型采用

10、Boussinesq可以得到比較好的模擬結果。Boussinesq近似是將動量方程中密度定義為時間的函數，而能量方程中的密度視為常量。在Fluent中設置好參數和邊界條件后，計算結果如下：壁溫100模擬結果圖30 溫度云圖圖31 壓力云圖圖32 速度云圖圖33 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：0.831m/s。壁溫150模擬結果圖34 溫度云圖圖35 壓力云圖圖36 速度云圖圖37 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：1.05m/s壁溫200模擬結果圖38 溫度云圖圖39 壓力云圖圖40 速度云圖圖41 旋渦最大速度可在速度云圖中直接讀出：1.18m/s壁溫250模擬結果圖42 溫度云圖圖43 壓

11、力云圖圖44 速度云圖圖45旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：1.29m/s壁溫300模擬結果圖46 溫度云圖圖47 壓力云圖圖48 速度云圖圖49 旋渦最大速度可在云圖中直接讀出：1.39m/s速度隨著溫度變化的匯總表：表6 豎直管最大速度計算工況表 溫度工況計算參數100150200250300, 0.841.051.181.291.39結論分析：1) 自然對流換熱強弱取決于高溫壁面溫度與周圍流體溫度差的大小，溫差越大，換熱發展越迅速，流動越強烈；2) 隨著壁面溫度的增加，最大空氣流速也在隨之增加；3) 在溫差的驅動下形成上升流，并在壓差作用下上升流兩側形成漩渦。3. 水平圓管和豎直圓管自然對流的最大速度對比1) 現將模擬的最大速度匯總，如表格7：表7 最大速度對比表格 溫度工況計算參數10