三维矩形微槽道流体流动和传热的数值模拟
LBM相变传热与流体流动数值分析
LBM相变传热与流体流动数值分析LBM（Lattice Boltzmann Method，格子玻尔兹曼方法）是一种基于分子动力学理论的数值传热与流体流动分析方法。
它以离散网格模型来模拟流体的运动，并通过碰撞模型和分布函数演化来描述流体的宏观行为。
LBM方法具有数值计算速度快、易于并行计算和处理复杂边界条件等优点，因此在传热与流体流动领域得到了广泛应用。
LBM方法基于Boltzmann方程，该方程描述了流体微观粒子的状态演化和宏观流动行为。
在LBM中，流体的微观粒子状态由分布函数表示，该函数描述了在离散网格上各个速度方向上微观粒子的密度分布。
通过对分布函数的演化，可以模拟流体的宏观行为，如密度、速度和压力等。
LBM方法中的碰撞模型用来描述流体粒子之间的碰撞和能量交换，以达到宏观状态的平衡。
常用的碰撞模型有BGK（Bhatnagar-Gross-Krook）和MRT（Multi-Relaxation-Time）等。
在碰撞模型中，需要引入弛豫时间来控制粒子流动的弛豫过程，从而使流体在离散时间步长内逐渐收敛到平衡态。
LBM方法还需要考虑边界条件对流体流动的影响。
常用的边界条件有指定速度、指定压力和非滑移条件等。
对于不同的边界条件，需要采用相应的处理方法来模拟边界处的流体行为。
在LBM方法中，流体流动与热传递可以同时进行模拟。
对于热传递，可以通过引入温度场和能量守恒方程来描述。
通过调整碰撞模型和演化模型，可以模拟流体的温度变化和热传递过程。
LBM方法在传热与流体流动领域的应用十分广泛。
例如，可以用LBM方法来模拟微观流体的输运行为、多相流体的界面行为、流动中的热传递过程等。
同时，LBM方法还可以结合其他传热与流体流动分析方法，如有限元方法和有限差分方法等，来解决复杂的传热与流体流动问题。
总之，LBM方法是一种基于分子动力学理论的数值传热与流体流动分析方法。
它通过引入碰撞模型和分布函数演化来描述流体的宏观行为，具有计算速度快、易于处理复杂边界条件等优点，因此被广泛应用于传热与流体流动领域。
流体力学实验装置的流动特性分析与研究方法
流体力学实验装置的流动特性分析与研究方法流体力学实验是研究流体在各种条件下的行为和特性的重要手段，而流体力学实验装置的设计和运用直接影响到实验结果的准确性和可靠性。
本文将就流体力学实验装置的流动特性分析与研究方法展开探讨，以帮助实验者更准确地了解流体力学实验装置的流动特性，并有效进行流体力学实验研究。
一、流动特性分析在进行流体力学实验时，首先需要对流体在实验装置中的流动特性进行分析。
流体在管道、阀门、槽道等装置中的流动受到多种因素的影响，如流速、压力、粘性等。
通过对这些因素的分析和研究，可以更好地理解流体在实验装置中的流动规律，并为实验设计和操作提供依据。
1. 流速分析流速是影响流体在实验装置中流动特性的重要因素之一。
不同的流速会导致流体的流动形态和速度发生变化，进而影响流体的压力分布、阻力等。
因此，在进行流体力学实验时，需要对流速进行详细的分析和测量，并根据实际需要进行调整和控制。
2. 压力分析压力是流体在实验装置中的另一个重要参数，它反映了流体在流动过程中的受力情况。
通过对压力的分析，可以了解流体在实验装置中的压力分布规律，找出存在的问题并进行调整。
此外，压力还与流速、流量等参数密切相关，因此需要综合考虑进行分析。
3. 粘性分析流体的粘性是影响流体流动特性的另一个重要因素。
粘性会影响流体的黏滞阻力、速度剖面等，在实验中需要考虑粘性的影响，并根据实际需要进行适当的处理。
粘性的分析可以帮助实验者更好地了解流体在实验装置中的流动特性。
二、研究方法针对流体力学实验装置的流动特性，研究方法是必不可少的。
合理的研究方法可以帮助实验者更全面、深入地了解流体力学实验装置的流动特性，并有效地进行实验设计和操作。
1. 数值模拟数值模拟是研究流体力学实验装置流动特性的常用方法之一。
通过建立数值模型，模拟流体在实验装置中的流动过程，可以得到流速、压力、粘性等参数的分布情况，并进行分析。
数值模拟可以有效地帮助实验者了解流体在实验装置中的流动规律，并指导实验的设计和操作。
矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究_蒋洁
第5卷第3期2006年9月热科学与技术Journal of Thermal Science and TechnologyVol.5No.3Sep.2006文章编号:1671-8097(2006)03-0189-06收稿日期:2006-01-12; 修回日期:2006-07-17.基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB 300404);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(6803001005);东南大学科学基金资助项目(9203007013,9203001337).作者简介:蒋 洁(1981-),女,江苏常州人,博士生,主要从事微流动与传热研究.矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究蒋 洁, 郝英立, 施明恒(东南大学动力工程系,江苏南京 210096)摘要:以去离子水为流体工质,对其在矩形微尺度通道中的流动阻力和传热特性进行了实验研究。
通过测量流量、进出口压力和温度等参数,获得了流体流过微通道时的摩擦阻力系数、对流换热过程中的热流通量和N u 等。
微尺度通道中流体流动的摩擦阻力系数较常规尺度通道中的摩擦阻力系数小,仅是常规尺度通道中摩擦阻力系数的20%～30%;且流动状态由层流向湍流转捩的临界R e 也远小于常规尺度通道的。
微尺度通道中对流换热的N u 与常规尺度通道的显著不同。
流量较小时,N u 较常规尺度通道中充分发展段的小;随着水流量的增加,微通道的N u 迅速增加,并很快超过常规尺度通道的N u ,表现出微尺度效应。
热流通量对微尺度通道中对流换热N u 存在影响,其影响规律在不同流速条件下呈不同趋势,流速较小时,N u 基本保持不变;而在流速较大时,N u 随热流通量增加而呈增加趋势。
关键词:微通道;流动特性;摩擦阻力系数;对流换热中图分类号:T K124文献标识码:A0 前 言为适应微电子机械系统以及微流动系统的快速发展需要,流体在微通道中的流动和传热特性成为当今世界范围的研究热点。
3D_打印赋形微小流道集热器内层流换热特性数值模拟与试验研究
第 39 卷第 1 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 39, No. 1 2022 年 2 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING47 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 681165443D打印赋形微小流道集热器内层流换热特性数值模拟与试验研究黄 圳1,2，李志慧2，孙敬文2，牛科研2，汪东莉2，赵长颖1*（1. 上海交通大学 机械与动力工程学院； 2. 上海卫星装备研究所：上海 200240）摘要：针对星内载荷存在大功率、多热源、高度非均匀功率密度的传散热需求，研发了一种3D打印赋形微小流道集热器。
在评估了用数值模拟方法预测复杂构型微小流道集热器流动换热特性之可行性基础上，采用数值模拟与试验相结合的方法，研究流量、入口温度、热功率及重力对集热器内层流换热特性的影响，获得了集热器阻力系数与努塞尔数的经验关联式，并优化了微小流道集热器构型。
结果表明：随着流量的增大，集热器压降近似线性增大，而总传热系数的提升速率逐渐减小；提升入口温度或热功率会引起集热器压降降低与总传热系数增大；重力对微小流道集热器压降及总传热系数的影响较小。
关键词：大功率热源；赋形微小流道集热器；层流；换热特性；数值模拟中图分类号：TK124; V245.3文献标志码：A文章编号：1673-1379(2022)01-0047-08 DOI: 10.12126/see.2022.01.007Numerical simulation and experimental study of laminar flow andheat transfer in the 3D-printed shape follow-up minichannel thermal collectorHUANG Zhen1,2, LI Zhihui2, SUN Jingwen2, NIU Keyan2, WANG Dongli2, ZHAO Changying1*(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University;2. Institute of Shanghai Spacecraft Equipment: Shanghai 200240, China)Abstract: Based on the heat transfer and dissipation in cases of high power, multi heat sources and highly non-uniform power density for some special satellite payload, a 3D-printed shape follow-up minichannel thermal collector is developed. In view of the assessed reliability of the numerical simulation method to predict the flow and heat transfer performances of the complex 3D-printed minichannel thermal collector, the effects of the flow rate, the inlet temperature, the thermal power and the gravity on the laminar heat transfer characteristics of the thermal collector are studied by the numerical simulation and the experiment, respectively. The empirical relations between the friction factor and the Nusselt number for the thermal collector are obtained, and the structure of the minichannel thermal collector is thus optimized. It is shown that with the increase of the flow rate, the pressure drop of the thermal collector increases approximately linearly, and the increase rate of the total heat transfer coefficient decreases gradually. Increasing the inlet temperature or the thermal power would reduce the pressure drop and increase the total heat transfer coefficient of the thermal collector. Gravity has little effect on the pressure drop and the total heat transfer coefficient of the minichannel thermal collector.Keywords: high power heat source; shape follow-up minichannel thermal collector; laminar flow; heat transfer characteristics; numerical simulation收稿日期：2021-09-08；修回日期：2022-01-18基金项目：中国博士后科学基金项目（编号：2021M702087）引用格式：黄圳, 李志慧, 孙敬文, 等. 3D打印赋形微小流道集热器内层流换热特性数值模拟与试验研究[J]. 航天器环境工程, 2022, 39(1): 47-54HUANG Z, LI Z H, SUN J W, et al. Numerical simulation and experimental study of laminar flow and heat transfer in the 3D-printed shape follow-up minichannel thermal collector[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(1): 47-540 引言单相流体回路传热系统可作为星上大功率载荷的散热装置[1-3]，其关键部件——集热器的质量、体积、阻力与换热特性直接决定了整个传热系统指标的优劣及对星上资源的占用程度。
波纹管层流传热与流动的三维数值模拟
变化， 流体 流 经 波纹 管 时 流速 和压 力将 不 断 变
化， 从而 改变 流动边 界层 和热 边界 层 ， 有传 热 具
效率 高 ， 不易 结 垢 等优 点 。国 内外 研 究 人 员 通
过试 验或 数值模 பைடு நூலகம் 手段对 其 流动 和传 热特性进 行 了研究 。在 实 验研 究 方 面 ， 究 人 员 主 要 通 研
（ 横截面 网格 ａ ）
图 ５ 工 况 ⑤ 的 网格 划 分 情 况
１ 几何 模 型 与 网格 划 分
行模 拟 ， 果 表 明在 湍 流情 况 下 波 纹管 可 提 高 结 总传 热系 数 １ ０ ； ２ 张东 生等 Ｉ １ 应用 Ｆ ＵＥ Ｌ ＮＴ
软件 对波 纹管套 管换 热器 进行 了三 维数 值模拟 并 与实 验结 果 进 行 了 比较 ， 纹 管 的换 热 系数 波
是光 管 的 １ ～１ ．１ ．８倍 。总体 而 言 ， 有研 究 所 成果 都 表 明波 纹 管能 显 著 强化 对 流 传 热 ， 有 但
合 选 用 Ｓ ＭＰ Ｅ Ｉ Ｌ Ｃ格 式 ， 力 方 程 的离 散选 用 Ｓ ａ ｄ ｒ 压 ｔｎ ａｄ格 式 ， 他 方 程 的离 散 均 选 用 ＱＵＩ Ｋ 格 式 。 结 其 Ｃ
果 表 明 ： 光 管 相 比 ， 流 情 况 下 波 纹 管 能 显 著 强 化 传 热 ， 雷诺 数 （ ） 等 情 况 下 ， 纹 管 的 Ｒ 与 层 在 Ｒｅ相 波 越 大 、 Ｒ 越 小 时 的 强 化 传 热 效 果 越 好 ； 几 何参 数 相 同情 况 下 ， 越 大 ， 化 传 热 效 果 越 好 ， 所 研 究 的 范 围 ｚ 在 Ｒｅ 强 在 内， Ｎｕ最 大 增 加 了 １ ９ ５ 。 同时 ， 纹 管 还 具 有 良 好 的 流 动 性 能 ， 部 分 Ｒ ９ ． 波 大 ｅ的 范 围 内 流 动 阻 力 系 数 小 于光 管 的情 况 ， 且 随着 Ｒ 并 ｅ的增 大 而 逐渐 接 近 于 光 管 的 摩擦 系 数 。 关 键 词 波 纹 管 ；强化 传 热 ；数 值模 拟 ；Ｆ ｕＥ Ｔ Ｌ Ｎ
微矩形沟槽热管传热极限模型和实验研究
；ｓｏｎｔａ ｔ ｉ ｅ ｏｅ ｔｎｔ ｐｒ ｕ ， ａｏａｌ ｇｏ ｅ ｉ ｓｕｔｒ ａｄｅｅｔｅ ｕｅｏ ｅ ｈｗ ｔ ｈ ｈ ｈｒｐ ｒｉ ｍ ｅａ ｒ ０ｒ ｎ ｅ ｅｍ ｔｃ ｔ ｃ ｅ ｎ ｆｃｖ ｓ ｆ ｌ ｈ ｅ ｇ ａｏ ｅ ｔｅ ｅ ｂ ｓ ｒ ｒ ｕ ｆ ｉ ｌｇ ｖｙ ｕｐｒ ｇｃ ｇｉ ａｔ ｃ ａ ｅ ｅ ａ ｆ ａ ｔ Ａ ｄ ｔ ｌ ｅ ｏ ｔ ｅ ｔ ａ ｔｓ ｏｉ ， ｎ ｉ ｆ ｎｙｉ ｒ ｅ ｈ ｈａｔ ｎ ｅ ｃ ｃ ｙ ｎ ｓ ｄｍ ｎ ｒ ｄ ｈ ｒ ｉ ｐ ｔ ａ ｓ ｎ ｃ ｌ ｎ ｅ ｔ ｔ ｒ ｓ ｒ ａ ｉ． ｉａ ｏ ｎ ｓ ｐ ｓａ ａ ｔ ｔ
ｉ ｗ ｉ ｅＮ ，ｅａｄＨ ，ｎｔ ｅ ａ ｏ ｍ ｔ ｔ ｏｇ ｘ ｅ ｍ ｎ ｌｎｅｔａ ｏ． ｅｓ ｄ ａ ｈ ｈａ １ ｇｏ ｅｈａ ｔｍｐ ｒ ｌ ｉ ｒｕｈｅ ｒ ｅｔ ｖｓｇｔ ｎ Ｔ ｔ ｙｈ ｃｒ Ｇ ｎ ｈ ｔ ｒ ｔｉ ｓｈ ｐ ｉ ａｉ ｉ ｅ ｈ ｕ ｓ
ＬＩ ＡＮ ｎ． Ｂｉ ＯＵ ａ — ｉ ｎ Ｙｕ ｎ ｘ ａ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｃ ａ ｉａ ｎ ｔｍｏｉｅＥ ｇｎ ｅ ｉｇ Ｓ ｕｈＣ ｉａＵｎｖ ｒｉ ｆ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｇｕ ｎ ｚ ｏ １ ６ ， ｈｎ ） Ｓ ｈ ｏ ｈ ｎｃ ｌ ｄＡｕｏ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ，ｏ ｔ ｈｎ ｉｅｓｔ ｏ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ， ａ ｇ ｈ ｕ５ ０ ４１ Ｃ ｉａ ｏ Ｍｅ ａ ｖ ｎ ｙ
矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究
文 章 编 号 ：１ ７－０ ７ ２ ０ ） ３０ ８ —６ ６ １８ 动 阻力和 换热 特 性 实验研 究
蒋 洁 ， 郝 英 立 ， 施 明 恒
（东 南 大 学 动 力 工 程 系 ，江 苏 南 京 ２ ０ ９ １０ ６）
度 通 道 中对 流 换 热 Ｎｕ存 在 影 响 ， 影 响 规律 在 不 同流 速 条 件 下 呈 不 同 趋 势 ， 速 较 小 时， 其 流 Ｎｕ基 本保 持 不 变； 而 在 流速 较 大 时， Ｎｕ随 热 流 通 量 增加 而 呈增 加 趋 势 。
关键 词 ：微通 道 ； 流动特 性 ； 摩擦 阻力 系数 ； 流换 热 对
１ 实 验装 置 与 方 法
１ １ 实验 系统 ．
图 １所示 是 本文 实验 装置 的管路 系统 。 作 工 介质 是去离子 水 。 从储 液罐 中流 出的水 经滤 网 、 水
泵 、 门和 流量计 后进 入实验 段 。 过设置 于主管 阀 通
收 稿 日期 ：２ ０— １１ ； 修 回 日期 ：２０ —７１ ． ０ ６０—２ ０ ６０ —７ 基 金 项 目 ：国家 重 点 基 础 研究 发 展计 划 （０ ６ ３０ ０ ） 教 育 部 留学 回 国人 员 科 研 启 动 基 金 资 助 项 目（ ８ ３０ ０ ５ ； 南 大 学 科 ２ ０ＣＢ ０ ４ ４ ； ６ ０ ０１ ０ ） 东 学 基 金 资 助 项 目（ ２ ３ ０ ０ ３ ２ ３ ０ ３ ７ ． ９ ０ ０ ７ １ ，９ ０ ０ １ ３ ） 作 者 简 介 ：蒋 洁 （９ １） １８ 一 ，女 ， 苏 常 州 人 ，博 士生 ，主 要 从 事 微 流动 与 传热 研究 ． 江
Ｒ ｈ ｎ和 ＧｕＬ ａ ｍａ ｉ 在长 ４ ８ｃ 宽 ４ ６ｃ 的硅 板 ３ ． ｍ、 ． ｍ 上分 别 开 了宽 为 １ｍｍ， 分别 为 ２ １ 深 ２ ｍ、 ５ ｍ ２４ 和 ２ ８ ｍ 三种槽 道 ， ７ 测得 的 Ｎｕ也 比传 统 的层 流 Ｎｕ大 ， 们 将 这 种 效 果 归 为 表 面 粗 糙 度 的 影 他
FLUENT算例 (3)三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析
三维圆管紊流流动状况的数值模拟分析在工程和生活中，圆管内的流动是最常见也是最简单的一种流动，圆管流动有层流和紊流两种流动状况。
层流，即液体质点作有序的线状运动，彼此互不混掺的流动；紊流，即液体质点流动的轨迹极为紊乱，质点相互掺混、碰撞的流动。
雷诺数是判别流体流动状态的准则数。
本研究用CFD 软件来模拟研究三维圆管的紊流流动状况，主要对流速分布和压强分布作出分析。
1 物理模型三维圆管长2000mm l =，直径100mm d =。
流体介质：水，其运动粘度系数62110m /s ν-=⨯。
Inlet ：流速入口，10.005m /s υ=，20.1m /s υ= Outlet ：压强出口Wall ：光滑壁面，无滑移2 在ICEM CFD 中建立模型2.1 首先建立三维圆管的几何模型Geometry2.2 做Blocking因为截面为圆形，故需做“O ”型网格。
2.3 划分网格mesh注意检查网格质量。
在未加密的情况下，网格质量不是很好，如下图因管流存在边界层，故需对边界进行加密，网格质量有所提升，如下图2.4 生成非结构化网格，输出fluent.msh等相关文件3 数值模拟原理紊流流动当以水流以流速20.1m /s υ=，从Inlet 方向流入圆管，可计算出雷诺数10000υdRe ν==，故圆管内流动为紊流。
假设水的粘性为常数（运动粘度系数62110m /s ν-=⨯）、不可压流体，圆管光滑，则流动的控制方程如下：①质量守恒方程：()()()0u v w t x y zρρρρ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂ (0-1)②动量守恒方程：2()()()()()()()()()()[]u uu uv uw u u ut x y z x x y y z z u u v u w p x y z xρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-2)2()()()()()()()()()()[]v vu vv vw v v v t x y z x x y y z z u v v v w px y z yρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-3)2()()()()()()()()()()[]w wu wv ww w w w t x y z x x y y z z u w v w w px y z zρρρρμμμρρρ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++=++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂'''''∂∂∂∂+----∂∂∂∂ (0-4)③湍动能方程：()()()()[())][())][())]t t k k t k k k ku kv kw k k t x y z x x y yk G z zμμρρρρμμσσμμρεσ∂∂∂∂∂∂∂∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++-∂∂ (0-5)④湍能耗散率方程：212()()()()[())][())][())]t t k k t k k u v w t x y z x x y y C G C z z k kεεμμρερερερεεεμμσσμεεεμρσ∂∂∂∂∂∂∂∂+++=+++∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+++-∂∂ (0-6)式中，ρ为密度，u 、ν、w 是流速矢量在x 、y 和z 方向的分量，p 为流体微元体上的压强。