fluent流--固耦合传热 - 图文

一两端带法兰弯管置于大空间内，管外壁与空气发生自然对流换热；内通烟气并与管内壁发生强制对流换热。结构和尺寸及其它条件如图。计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。 所需的边界条件采用对流换热实验关联式计算。

要求在发动机数值仿真实验室的计算机上完成建立几何模型、生成计算网格、建立计算模型、提交求解、和结果后处理等步骤，并分别撰写计算任务的报告，计算报告用计算机打印。

计算报告包括以下与计算任务相关的项目和内容：

(1) ............................... 传热过程简要描述 包括传热方式、流动类型等； (2)计算方案分析 包括所求解的控制方程及其简化、边界条件及其确定方法和主要计算过程；

(3)计算网格简报 包括网格划分方案、单元拓扑、单元和节点数量、网格质量等；

(4)计算模型描述 包括流体物性、边界条件、湍流模型、辐射模型及近壁处理等；

(5)求解过程简报 包括求解方法、离散格式、迭代过程监控、收敛准则等； (6) ................................................ 计算结果及分析 给出下列图表和数据： 纵剖面和中间弯管45°方向横剖面上的温度、温度梯度、速度分布图，以

及法兰和中间弯管处的局部放大图。

管内壁面上的温度、热流密度和表面传热系数分布，包括三维分布和沿管长度方向上的分布。

..................................................................................................... 总热流量。 由2种数值计算方法求得管内外烟气和空气之间换热的平均传热系数和烟气出口温度，并与工程算法得到的数值对比。

1、传热过程简述

计算任务为用计算流体力学/计算传热学软件Fluent求解通有烟气的法兰弯管包括管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。在进行分析时要同时考虑导热，对流，热传递三种传热方式。

（1）、直角弯管内外壁间的热传导。注意：如果是按薄壁方法处理时不用考虑该项，此时管壁厚度可以忽略，内壁和外壁温差几乎为零。

（2）、管子外壁与环境发生的自然对流换热。由于流体浮生力与粘性力对自然对流的影响，横管与竖管对流换热系数略有不同的。计算公式也不一样。同时，还有内壁同烟气发生的强制对流换热。

（3）、管子外壁和大空间（环境）的辐射换热

通过进气温度和流量，我们可以推断出管内烟气为湍流流动。这在随后的计算中可以得到证实。

2、计算方案分析

（1）、控制方程及简化

质量守恒方程：

?????u????v????w?????0 ?t?x?y?z它表述的是单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。

对定常不可压缩流动该方程可简化为

?u?v?w???0 ?x?y?z动量守恒方程：

???u??p?div??Uu??div??gradu??Su? ?t?x???v??p?div??Uv??div??gradv??Sv? ?t?y???w??p?div??Uw??div??gradw??Sw? ?t?z 该方程的依据是，微元体中的流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。式中Su、Sv、Sw是动量方程中的广义源项。和前面一样上式可以简化为：

?u1?p?divUu?div?gradu????? ?t??x

?v1?p ?div?Uv??div??gradv???t??y?w1?p?div?Uw??div??gradw?? ?t??z

能量守恒方程

其依据四能量守恒定律：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。

???h????uh????vh????wh??????pdivU?div??gradT????Sh?t?x?y?z?：流体导热系数； Sh：流体内热源

?：由于粘性作用，机械能转换为热能的部分；

???ST?T?div?UT??div?gradT??对本题可化为：

??c???tp??（2）边界条件的定义

1）发生在管内、外壁上的对流换热属于第三类边界条件

2）弯管两端法兰截面是绝热的，属于第二类边界条件（热流量为零） 3）外表面的辐射换热边界条件

1）内壁上强制对流换热系数

h1

查阅资料[]确定700K烟气的热物性参数如下

??0.509kg/m3；??5.9*10?2W/?m*k?；

??67.74*10?6m2/s；Cp?1159J/kg*K

又已知：烟气流量m?0.15kg/s，管的内直径d?50mm?0.05m 由m?AV?；A为流道截面积，Ｖ为烟气流速

V?m?A?0.15???0.05??0.5092??2?150.1m/s，

烟气比热容比 ??1.33，Rg?287.52j/kgK

当地声速 c??RgT，则c?1.33?287.52?700?517.38m/s， 则M?V150.1??0.29，当M?0.4时，气体可是为不可压流体 c517.38而雷诺数Re?Vd??150.1?0.055，（管内烟气为湍流流动） ?1.11?10?667.74?10

管内湍流换热实验关联式

实用上使用最广的是迪贝斯－贝尔特公式：

nNuf?0.023Re0.8fPrf

加热流体时 n?0.4 ， 冷却流体时 n?0.3 。

式中: 定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。 将数据代入上式得Nuf?0.023?1.11?1050.8?0.6370.3?218.39

5.9?10?2?257.7W2 得到强制对流换热系数h1?Nu?218.39?mkd0.05?2）外壁自然流换热系数h2、h3

自然对流试验关联式：Nu?C?GrPr?，Nu?Gr?3.51?108

nhl?，

其中C?0.59、n?1/4、Pr?0.701 【查表】

，注意：对于竖管段特征长度取管长，横管特征长度取管直径。 定性温度采用tm?(tw?t?)/2??700?300?/2?500K，

?t?tw?tf?700?300?400K

查表知500K时干空气热物性参数：

??0.705kg/m3、??4.1*10?2W/?m*K?、??37.83*10?6m2/s 得竖管对流换热系数h2?Nu?l?C?GrPr?n??g??tl??C?Pr?2l???314?l，代数数据得

?9.8?400??0.4??h2?0.59?0.701?2????500??3144.1?10?2?4.47W2

m*k0.4同理得横管段Gr?7.11?107，则c=0.48, n?1/4

?9.8?400??0.07?3?h3?0.48?0.701?2????500??14?0.07?23.6Wm2k 注：横管的 C=0.48 （必须

知道h2?Nu

?l中l的含义，以及Gr?g??tl3?2中l的含义）

3、网格简报

本模型用UG进行建模，采用GAMBIT来划分网格。一般说来，网格越密越能保证精确

的计算结果。但我们也要具体问题具体分析，针对不同模型采用不同的处理方法。在硬件配置允许的条件下，画出合理的高质量的网格。

（1）网格划分方案

1）管体是狭长规则几何体，优先采用四边形（quadrilateral）、六面体网格（hexahedral cells），它们相比较其他类型网格允许较大的纵横比。几何体弯曲部分要给以加密，修正由弯曲造成的网格放大。 2）由传热及流动过程界定网格布局：

首先，我们想到的是弯管的内壁，此处烟气和管壁发生强制对流换热。温度变化很大，所以需要较密的网格。可以通过划分边界层网格的手段得到沿半径方向成比例渐变的网格。如图a

a.边界层网格划分

其次，考虑到流体进入拐角后流动情况复杂，也有必要对该处的网格加密。需要先对线来进行网格划分，即由控制线上节点的数量来对拐角处体网格疏密进行控制。注：该线需是弯管面沿轴向的分割线，可以通过split face命令将弯面沿着轴向方向虚拟分割。再利用cooper命令画出的弯管部分的网格如图b

b.中间段网格

最后给各个面设定边界条件并检查网格质量。注:若发现负体积需要重新划分网格改变网格布局。因为负体积将直接导致基于有限体积法的fluent得出错误结果。 （2）单元和节点统计

25440 hexahedral cells, zone 2, binary. 96404 hexahedral cells, zone 3, binary.

281487 quadrilateral interior faces, zone 20, binary. 12320 quadrilateral wall faces, zone 1, binary. 12320 quadrilateral wall faces, 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 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. 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. 141166 nodes, binary.

141166 node flags, binary. （3）网格单元质量

Equisize skew质量类型时最差网格质量值为0.40125 EquiAngle skew质量类型时最差网格质量值也为0.40125 可见网格质量很好。

４、计算模型描述

高质量的网格为随后的计算提供了有力保障，但仅这样还不够。针对不同模拟对象我们还需要选择不同的计算方式，这就需要对计算模型进行描述。其中主要是边界条件、湍流模型、近壁处理。

(1)流体物性

查资料得700K烟气的热物性如下

??0.509kg/m3；??5.9*10?2W/?m*k?；

??67.74*10?6m2/s；Cp?1158.8J/kg*K

(2)边界条件

1）法兰管端面为绝热，热流量为零。定义名称为flux_1、flux_2 2）由于横管竖管自然对流换热系数不同，需要分别定义： 竖管对流换热系数命名为up_conv，值为4.47Wm2?k；

横管对流换热系数命名为down_conv，值为23.6W弯曲段对流换热系数elbow_conv取前两者的平均入口命名为inlet，取 速度入口 V=150.1m/s

m2?k；

m2?k；

14.04W内壁命名为inner_wall，对流换热系数值为257.7W管子外表面辐射率和吸收率均取0.8

m2?k

(3)湍流模型

目前湍流模型有四种：Spart-Alpla单方程模型；K-e 双方程模型；雷诺应力模型；大涡模拟模型。

单方程模型在这几种模型的中的计算量最小，它是一种刚刚发展起来的湍流模型，主要针对于航空流体机械的数值模拟，对于其他复杂流动的计算还没有经过验证 双方程湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动，而且计算量也在工程可以接受的范围；标准k-ε模型解决一般的流动问题，RNG k-ε模型主要应用于旋转坐标系下的流动问题（旋转机械），Realizable k-ε模型主要用于射流、大分离、回流等问题。雷诺应

力模型和大涡模拟主要应用于湍流运动的机理研究中，由于计算量非常大，因此目前还很少用于有复杂几何形状的工程问题中网格类型的选择。

本题采用工程中较常用的双方程k-ε模型来进行湍流模拟。 （4）近壁处理

对于粘性流动问题，FLUENT默认设置是壁面无滑移条件，但你也可以指定壁面切向速度分量（壁面平移或者旋转运动时），也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根据当地流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。湍流流动在近壁区域受壁面的影响很大。

通常有两种方法来模拟近壁区域。一种方法是，不对粘性影响比较明显的区域（粘性底层和缓冲层）进行求解，而是用一组半经验公式（即壁面函数）将近壁单元上的物理量与湍流核心区内相应的物理量联系起来，这就是壁面函数法。另一种方法就是通过修改湍流模型，使得对粘性影响的区域也通过网格进行求解，这就是近壁模拟的方法。 本题计算保持默认值即可。

５、求解过程简报 （1）导入网格

１）启动fluent，选择3D模式；

２）Grid=>Check 读入网格数据并检查，确保网格最小体积不能为负，同时留意其他“警告”提示。必要时重新划分网格。

３）Grid=>Scale根据题目要求确定长度单位为mm；

４）Display=>Grid显示网格，再次确认之前在gambit里定义的边界条件。 （2）定义模型及边界

１）Define=>Models=>Solve 定义求解器

在gradient option项里选择Least Squares Cell Based，其他项默认不变。 ２）Define=>Models=>Energy

选择能量方程并设置湍流模型，在Model项里选择k-epsilon(2eqn)，点OK ３）Define=>Materials 定义流体属性

依次填入700K烟气的Density（密度）、Cp（定压比热容）、Thermal Conductiviy（导热系数）、Viscosity（动力粘度）。点Change/Create完成设置。 ４）Define=>Boundary Conditions定义边界条件

依据前面的计算结果输入相应边界条件。注意，入口面速度默认是沿x轴正向的，随几何模型不同入口朝向也各不相同，应根据实际情况定义。 （3）求解

１）Solver=>Initialize=>Initialize 在Compute From项里选择inlet，点Init完成初始化流场

２）设置监视窗口

Solver=>Monitors=>Residual定义残差，在Options栏选取Plot，点OK

Solver=>Monitors=>Surface Monitors 定义监视面，这里取出口为监视面，监视出口的Turbulence（湍流度）以及Mass-Weighted-Average（平均比重） File=>Write=>Autosave 设置自动保存，这里取每20次迭代自动保存一次 Solver=>Iterate... 设置迭代次数500开始迭代，当迭代至199次时达到收敛（这里未对残差进一步设置，所以较快就收敛了）

残差迭代的图

出口流量监视图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x6eh.html