模拟内插论文

2024-06-25

模拟内插论文（精选4篇）

模拟内插论文篇1

污垢的存在[1], 不仅缩短了换热器的使用寿命, 还使得传热效率大幅度降低, 最终影响企业生产效益, 造成重大经济损失。

对于管式换热器, 换热管内侧污垢热阻的存在, 大大增加了传热的阻力, 使总的换热系数减小, 换热效率降低。管内插钢丝螺旋线圈是管式换热器强化传热的一种重要手段, 在节能领域具有一定的工程应用价值[2]。

1 换热管内插螺旋强化传热理论分析

管内侧传热主要与管内流体热边界层有关, 热边界层越薄越有利于强化传热, 通过管内插螺旋线的数值模拟的分析, 螺旋的存在可以抑制污垢的产生和减薄热边界层, 从而能够强化传热。

管内插螺旋[3,4,5]可以很好地扰动管内接近壁面出的流体, 使流体在流经螺旋时产生漩涡, 加强了整个径向截面内的流体混合, 提高了管内的雷诺数。流体由于受到螺旋钢丝的阻挡, 在径向方向上会产生一定的流速, 这个流速方向与传热的方向是平行的, 因此可以很好地强化管内流体在径向截面上的热量传递, 起到了很好的强化传热效果[6]。

2 换热管内插螺旋数值模拟及结果分析

通过Fluent2.0软件数值模拟空管与内插螺旋换热管某一段截面上的速度、温度、压力云图并进行对比分析。所选取换热管长度内径均相同, 进出口边界条件设定一致, 假设壁面为恒温边界, 对流场加热。图1为换热管的计算模型图。

截取两根换热管中间部分的管段进行研究, 如图2所示, 对该段垂直于坐标轴x方向的中性面即x=0截面进行研究。

图3为所选取管段x=0截面的速度云图, (a) 为空管的速度流场, (b) 为管内插螺旋的速度流场。从流速云图可以看出螺旋的存在对流场产生了影响, 内插螺旋使得最大流速增加。空管的流场变化均匀, 从壁面往管轴心方向, 流速大小一层一层增加直到最大流速不变, 中心处流速最大且范围基本不变;内插螺旋所产生的流场层状感不强较混乱, 最大流速已发生在中心处, 可以看到位于壁面与钢丝螺旋之间的颜色变深, 说明该位置处边界层受到螺旋的影响。将该小段左侧边界线命名为入口, 右侧边界线命名为出口, 图4为入口与出口边的具体速度大小变化的坐标点, (a) 对应为空管, (b) 则为内插螺旋管。图4 (a) 空管的速度变化呈现抛物线, 且入口与出口速度几乎相同;图4 (b) 管内插螺旋的径向方向速度大小发生变化, 与图4 (a) 相比梯度增加, 说明内插螺旋线减薄了流动边界层的厚度。

图5为所选取段x=0截面的温度场云图, 图5 (a) 为空管的温度场, 图5 (b) 为内插螺旋管的温度场。温度场的变化情况基本与流场一致, 可以看出内插螺旋线破坏了温度场的均匀性, 螺旋的加入使得整体温度场得到了提高, 意味着热量从壁面更多的传递到了流场。如图6所示, 流动边界层与温度边界层发生减薄现象, 壁面附近温度呈现梯度变化, 可见管内插螺旋强化了管内传热。

图7为此段出口截面的速度矢量图, 由图7 (a) 空管可以看出流体保持直线流动;从图7 (b) 图管内插螺旋看出流体在出口产生了明显的旋流效果, 多数矢量箭头线与管壁面呈一定角度, 并非平行, 说明这种旋流效果对管壁面有冲击作用。图8为从进口边界线发出的流线图, 对比空管与内插螺旋图, 明显看出螺旋的作用使得管内流场产生了强旋流效果, 而这种强旋流效果对热量的传递具有强化作用。但是强旋流是以压力的损失作为代价, 具体是否具有强化传热效果, 需要对压力损失与热量传递强化进行综合考虑。据文献研究, 管内插螺旋能够实现强化传热[7]。

3 结论

通过对换热空管和内插螺旋换热管进行数值模拟, 对其传热性能进行比较分析, 结果表明管内插螺旋减薄了流动边界层的厚度和温度边界层的厚度, 螺旋的作用使得管内流场产生了强旋流效果, 管内插钢丝螺旋的存在可以强化传热, 为继续研究提供了依据。

参考文献

[1]吴双应.污垢对换热器传热性能影响[J].石油化工设备, 2010, 29 (1) .

[2]杨善让, 徐志明, 孙灵芳.换热设备污垢与对策[M].北京:科学出版社, 2014.

[3]徐天华, 崔乃瑛, 谭盈科, 等.开发管内插入物强化高粘液体传热的方法探讨[C].1986:19.

[4]徐建民, 熊雯, 皮威, 等.内插自振弹簧换热管传热性能试验研究[J].石油化工设备, 2010, 39 (3) :9-12.

[5]P.Murugesan, K.Mayilsamy, S.Suresh, 等.圆形管中填充带圆钉的螺旋状金属带时的传热和流动阻力研究[J].中国化学工程学报 (英文版) , 2010, 18 (6) :1038-1042.

[6]俞秀民, 吴金香, 俞天蓝, 等.旋转螺旋除垢防垢技术研究[J].化学清洗, 2006, 12 (3) :34-37.

[7]易伟.冷却结晶设备管内自转螺旋自动清洗技术研究[D].硕士论文, 湖南工业大学, 2008.

模拟内插论文篇2

1 物理模型及边界条件

如图1所示为管内插入扇形锥形片的强化传热管的物理模型。管长为L=500 mm, 直径d=32 mm。张角45°, 节距s=48 mm和72 mm两种, 倾角为b=30°, 45°, 60°。叶片的个数有三种:两叶片、三叶片、四叶片。模拟工质为20℃空气, 空气的物性参数为1.205 kg/m3, 导热系数2.59×10-2W/ (m·K) , 运动粘度为15.07×10-6m2/s。作如下假设:1) 锥形片内插物和换热管刚性足够好, 不考虑变形和振动;2) 工作介质为不可压缩、牛顿型流体, 流体各向同性, 物性不变;3) 流体流动为充分发展的稳态层流;4) 忽略重力影响, 不考虑辐射、压力做功和动能变化[1]。湍流模型采用K-RNG模型, 并选择增强壁面函数对第一层边界网格进行计算;进口采用速度进口;出口设置为自由出流边界条件;在圆管的表面设置恒定的热流密度, 热源值与Re数成正比[2]。

2 数值模拟结果分析

1) 四叶片张角为45°模拟结果。如图2和图3所示为张角45°和倾角为30°, 45°, 60°时各雷诺数下的平均摩擦系数f的值。由图可以看出随着倾角的增加摩擦系数f也随着雷诺数的增加而增加。倾角变小管内流体扰动发生变化, 从贴近壁面的扰动逐渐变化成核心流扰动。倾角越小流体对壁面的边界层的扰动越小, 流体在流过边界层时所受的剪切力也越小, 流动阻力也减小。反之倾角越大, 近壁面的速度梯度较大, 产生的剪切力越大, 流动阻力越大。倾角越大时流体对壁面的扰动越强烈, 边界层的厚度减小, 温度梯度变大, 对流传热量显著增大。从图中可以看出倾角60°时摩擦系数是倾角30°的2.83倍而倾角60°时的努塞尔数是倾角30°时的1.3倍。

2) 不同叶片数扇形锥形片的传热特性分析。如图4和图5所示为相同片距和张角以及倾角, 不同叶片数的扇形锥形体传热特性分析, 图中共有三种叶片数目即两叶片、三叶片、四叶片。四叶片时摩擦阻力系数最大而两叶片和三叶片的摩擦系数相差不大大。。叶片数越多, 摩擦系数越大, 流体扰流过程中受到的阻挡越多, 扰流越多形成的流体涡越多边界层越薄, 温度梯度越大, 努塞尔数也越大。四叶片时努塞尔数是光管的3倍而摩擦系数是光管的12倍。

3) 相同叶片数不同片距时的传热特性分析。如图6所示为两叶片和三叶片不同间隔时的摩擦系数曲线。由图6可知三叶片间隔48 mm时摩擦系数是光管的摩擦系数的8倍。三叶片间隔48 mm的摩擦系数是三叶片间隔72 mm的1.3倍。三叶片间隔48 mm的摩擦系数是两叶片间隔48 mm的1.6倍。两叶片间隔48 mm的摩擦系数是两叶片间隔72 mm的1.25倍。

如图7所示为两叶片和三叶片不同片距时的努塞尔数曲线。从图中可以看出努塞尔数增加的趋势没有摩擦系数增加的趋势明显, 三叶片间隔48 mm时努塞尔数系数最大。分析其原因在于流体在湍流状态时当其达到了充分发展状态时其温度和压力变化很小, 流体处于稳定状态。

4) 相同叶片数不同间隔传热特性综合分析。图8是以两叶片间隔72 mm为基础得出的PEC的综合传热系数比值, 从图中可以看出两叶片间隔48 mm的PEC比值和三叶片间隔72 mm的PEC比值都为1以上, 说明其对流传热效果要优于两叶片间隔48 mm的传热效果。三叶片间隔48 mm的PEC比值为1以下, 说明其对流传热效果要低于两叶片间隔72 mm时的情况。

3 结语

通过数值模拟研究了管内插扇形锥形物的传热和流动特性, 分析了扇形锥形体的倾角和间隔以及叶片数3个结构参数变化对流动和换热的影响, 得出了如下结论:1) 管内插扇形锥形片能够显著强化换热, 同时增加了流动阻力。换热系数和阻力系数都随叶片数和倾角的增大而增大, 随间距的增大而减小。2) 内插扇形锥形片使流体在管内产生纵向流动使速度场与温度场的协同性更好。边界层受到分流流体的扰动而变薄, 此时温度梯度变大, 相同传热面积下能传递更多的热量, 强化了换热。3) 综合性能系数受倾角、片距和叶片数影响, 增大倾角和叶片数减小片距有利于提高综合性能, 适当选取倾角和叶片数以及片距, 扇形锥形片可以在很大程度上改善综合换热性能。

参考文献

[1]游永华.管壳式换热器中单相流体强化传热的数值模拟和实验研究[D].武汉:华中科技大学, 2013.

[2]邓俊杰.管内对流换热强化的数值模拟[D].武汉:华中科技大学, 2011.

[3]睢辉, 屈晓航, 董勇.管内插入螺旋翅片流动与传热特性的数值模拟[J].化工生产与技术, 2013 (5) :8-9, 27-31.

模拟内插论文篇3

散热器是在工程应用中实现冷热流体热量交换的重要设备[1]。为了满足换热要求并最大可能的降低生产和使用成本,对散热器材料、结构以及冷热流体流动配合方面的研究一直都在进行。而用成本低廉、拆装方便的管内插入物来强化传热的研究更是得到了人们的青睐,包括形式多样的绕花丝、螺旋线、纽带及转子[2,3,4,5],然而对于不同适用情况的散热器,其可选择的插入物是有限制的,如果通过实验验证的方法则会浪费大量的时间、人力和物力,随着计算机技术的迅猛发展,利用计算软件来模拟各种情况的换热已经成为工程应用的前期参照。

本文就是利用CFD计算软件fluent对一款通过插入扰流丝产生扰动、强化传热的散热器进行了数值模拟,通过分析加入扰流丝前后高温流体的冷却情况来确定扰流丝的作用效果,并以水和P-32透平油分别作为高温流体进行了研究,得到了不同流速情况下换热效果的对比。

1数学模型

本文研究的扰流丝主要包括两个螺旋扭结在一起的、直径为2mm的铜条,其上分布着大小相等、直径为0.5mm的环形钢丝,钢丝按照一定的旋转间隔角度均匀地固定在铜条接触面上,钢丝距离换热管管壁的最短距离为0.8mm。散热管直径为20mm,总长度为100mm。利用网格处理软件hypermesh对实体模型进行网格划分,图1所示为扰流丝部分面网格,由于两铜柱之间为线接触,在网格划分过程中容易生成尖角,因而在铜柱之间加入直径为1mm的圆管,由于其尺寸很小,因而不会对流场造成影响。图2为含扰流丝时流体区域的部分网格,为了得到较为精确壁面温度边界层,利用fluent中的interface功能将流体分为两部分,实现管壁处网格的细化。

本文研究的主要目的是分析管内扰流丝的扰流和强化传热效果,因此可以先不考虑管外流体对传热效果的影响,假定管壁为300K的定壁温、静止条件,入口选择速度边界条件,出口为压力出口,表压为0,其他壁面静止绝热。压力和速度解耦采用SIMPLE算法,为提高精度,动量、能量以及湍流参量采用二阶迎风格式。

2结果显示与分析

2.1以95℃的水为研究对象,模拟得出的不同入口速度时无扰流丝和含扰流丝两种情况下,流体在出口处的平均温度和管壁传热系数如表1所示。

表1显示,不论有无扰流丝,流体的速度越低,在出口处的平均温度越低,这主要是因为流体在换热管内滞留的时间越长其被冷却的程度越高造成的。然而对于相同流速情况下,加入扰流丝后流体在出口处的平均温度要低于不加扰流丝的情况,传热系数都上升了30%,说明扰流丝在一定程度上增强了传热效果。

图3显示的是0.8m/s时无扰流丝和含扰流丝两种情况下流体在出口处的温度分布图,从图中可以看出,加扰流丝时流体在出口处得最低温度达到325K,比无扰流丝情况下低3K,由于在管内受到扰流丝的扰动,出口处的温度等值线产生褶皱,低温区较无扰流丝情况下更深入主流,而无扰流丝情况下温度等值线则是由外向内平滑过渡。

图4 显示的是0.8m/s时无扰流丝和含扰流丝两种情况下管壁处的表面传热系数的分布,由图可见,无扰流丝情况下,传热系数由入口端向出口端呈现逐渐减小的趋势,而加入扰流丝之后,在靠近扰流丝的管壁处传热系数明显大于其他部位,最大和最小传热系数均有所提高,说明流体受到扰动之后其速度发生了相应的变化,打破了原来的速度边界层,增强了湍流强化传热的效果。

纵向截面速度分布图和横向截面速度分布图。由图可见,由于扰流丝的扰动,管壁处的速度边界层被打破,主流体的速度在不同位置其大小也不同,这也有助于不同温度之间的流体发生对流运动进行混合,增强传热。在接近出口处,由于中心区流体速度较低,这就相对增长了中心流体向边缘区流体散热的时间,从而获得更好的冷却效果。

图5即为0.8m/s时加入扰流丝后管内流体的

2.2确定了扰流丝的强化传热效果之后,完善模型,考虑管外低温流体对传热的影响。如图6所示(由于整体网格模型太大,此处只显示其中一部分网格),管外是空气通道,空气通道由与换热管相接的肋片组成,肋片之间的距离为3.5mm,空气流经的长度为60mm,流速为10m/s。由于换热管管壁和肋片厚度均很小,在网格划分过程中将管壁和肋片简化为无限薄的薄壁,在fluent中将管壁和肋片均设置为耦合壁面,这样解算器会直接从相邻单元的解中计算出热传导。

此时,将管内流体换成100℃的P-32透平油,模拟在不同入口流速情况下,空气对其的冷却效果。表2所示即为无扰流丝和含扰流丝两种情况下透平油P-32在出口处的平均温度和总传热量。

由表2可见,和水相同的是,不论有无扰流丝,高温流体的速度越低,在出口处的平均温度越低,加入扰流丝后流体在出口处的平均温度要低于不加扰流丝的情况,总换热量都呈现不同程度的增加。由此进一步说明了扰流丝的强化传热效果。然而随着入口速度的上升,扰流丝的强化传热效果趋势逐渐减弱,与无扰流丝时出口平均温度的差值越来越小,并在lm/s时趋于一致,这说明扰流丝的强化传热并非适用于所有情况,在考虑其因扰动破坏边界、增强湍流传热的同时还要考虑其与流体速度的配合以及由摩擦碰撞产生的热量所带来的负面影响。因此,冷却方案的制定既要争取合理的降温又要同时保证液体的通过速度。

图7显示的是P-32透平油0.1m/s情况下在散热管出口处的温度分布以及此时散热管管壁各处的温度分布。由图可见,与定壁温条件不同,考虑了外部流动与传热之后,出口处流体的温度分布不再呈现有外向内逐步过渡的特点,而是在迎风侧出现了温度的最小值,背风面由于空气产生漩涡,流经此处的空气量骤减,带走的热量远不如迎风侧,因而温度相对较高。同样,散热管管壁各处的温度分布,除自进口端向出口端的方向温度递减之外,迎风侧温度也始终低于背风侧,与出口温度分布一致。

3结论

通过管内插入扰流丝的方法能够打破原有的速度边界层,形成湍流强化传热。在定壁温条件下,加入扰流丝后,出口的平均温度均有不同程度下降,最低温度小于无扰流丝的情况,传热系数提高30%。全模型情况下加入了迎风和背风因素的影响,得出流体和散热管管壁在迎风侧的温度均低于背风侧。由于流体的速度不同,传热系数也不同,因此,在制定冷却方案既要保证合理的温降,又要争取冷却速度。

参考文献

[1]杨世铭,陶文铨.传热学(第四版)[M].北京:高等教育出版社.2006.

[2]郑雪苹,孙俊杰,李宝安.新型换热器的发展趋势[J].内蒙古科技与经济,2010.14(216):79-80.

[3]隋海明,黄渭堂.管内插入双螺旋丝强化冷凝换热的实验研究[J].应用科技,2007,34(8):55-57.

[4]刘舜尧,管文华.管壳式换热器纽带强化传热实验研究[J].广东化工,2009,36(10):175-177