横掠管束非稳态周期性充分发展流动的数值模拟
传热学
热流量：单位时间内所传递的热量热流密度：单位传热面上的热流导热：当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒的热运动传递了热量，这种现象被称为热传导，简称导热。
对流传热：流体流过固体壁时的热传递过程，就是热对流和导热联合用的热量传递过程，称为表面对流传热，简称对流传热。
辐射传热：物体不断向周围空间发出热辐射能，并被周围物体吸收。
同时，物体也不断接收周围物体辐射给它的热能。
这样，物体发出和接收过程的综合结果产生了物体间通过热辐射而进行的热量传递，称为表面辐射传热，简称辐射传热。
总传热过程：热量从温度较高的流体经过固体壁传递给另一侧温度较低流体的过程，称为总传热过程，简称传热过程。
对流传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的对流传热量，单位为W／(m2·K)。
对流传热系数表示对流传热能力的大小。
辐射传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的辐射传热量，单位为W／(m2·K)。
辐射传热系数表示辐射传热能力的大小。
复合传热系数：单位时间内单位传热面当流体温度与壁面温度差为1K是的复合传热量，单位为W／(m2·K)。
复合传热系数表示复合传热能力的大小。
总传热系数：总传热过程中热量传递能力的大小。
数值上表示传热温差为1K时，单位传热面积在单位时间内的传热量。
温度场：某一瞬间物体内各点温度分布的总称。
一般来说，它是空间坐标和时间坐标的函数。
等温面(线)：由物体内温度相同的点所连成的面（或线）。
温度梯度：在等温面法线方向上最大温度变化率。
热导率：物性参数，热流密度矢量与温度降度的比值，数值上等于1 K／m的温度梯度作用下产生的热流密度。
热导率是材料固有的热物理性质，表示物质导热能力的大小。
导温系数：材料传播温度变化能力大小的指标。
稳态导热：物体中各点温度不随时间而改变的导热过程。
非稳态导热：物体中各点温度随时间而改变的导热过程。
文丘里管与弯管水力特性的数值模拟
2021.18科学技术创新文丘里管与弯管水力特性的数值模拟王嘉瑞1,2陈爽1,2杨红发1,2钟思洁2蒲笑非2刘佳艺2(1、核反应堆系统设计重点实验室,四川成都6102132、中国核动力研究设计院,四川成都610213)摘要:利用CFX软件,针对弯管前后设置文丘里管的模型开展了数值模拟研究,分析内部流场及水力特性。
结果显示,文丘里管节流降压性能主要受入口流场影响,而文丘里管的出口会形成漩涡,漩涡大小与管道布置相关,但是否形成漩涡与布置无关。
关键词:文丘里管;弯管;流场;数值模拟中图分类号:TK223.23文献标识码:A文章编号:2096-4390(2021)18-0051-03 1背景文丘里管是工程应用中的常见管件,具有结构简单、运行稳定、安装便捷等优点,常应用于不同介质的流速测量和压降调节。
工程上一般可选择节流孔、孔板、文丘里管等形式的阻力件平衡系统阻力,匹配泵的扬程。
目前已发表的文献中,主要研究文丘里管内部结构与阻力系数的关系,缺少整体结构优化的研究。
本文利用CFX软件,针对弯管前后设置文丘里管开展了数值模拟研究,分析内部流场及水力特性的主要特点,比较文丘里管在弯管前后时节流性能的变化,为工程应用优化设计提供经验。
2文丘里管结构文丘里管按流通截面主要分成三部分,入口收缩区、喉部和渐扩区。
当上游管道足够长时,入口流量平稳流向均匀,进入收缩区后受斜面影响向内汇聚,损失部分能量后通过喉部到达渐扩区。
从阻力件的设计考虑,调整收缩区的斜面角度可控制流体的能量损失。
增设的阻力件要尽可能减少对下游的影响,因此设置渐扩区使流体尽可能平缓进入下游(图1)。
图1文丘里管结构示意图3计算模型与边界条件数值模拟计算的核心区域为文丘里管段,建模时采用相同的管道和结构参数,按照直段和弯管与文丘里管的组合构建三维模型。
模型1中包括文丘里管及前后直管延长段,用于分析文丘里管在流场均匀时流场分布和评估无干扰状态下文丘里管的节流效果。
文丘里管流动特性的数值模拟_邹星
文丘里管流动特性的数值模拟_邹星３卷第４期第３０１２年７月２华侨大学学报（自然科学版））ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｕａｉａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｑｙ（Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２０１２（）００００１３２０１２０４４５１５５００１文章编号：－－－文丘里管流动特性的数值模拟２２２，李海涛１，，宗智１，邹星１，（１．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４；）２．大连理工大学运载工程与力学学部，辽宁大连１１６０２４）摘要：内的流动情况，给出实际流量与测压ｌｕｅｎｔ软件模拟文丘里管在较大雷诺数范围（２００～７００００利用Ｆ管水头差的关系曲线，并与实验结果进行比较．研究结果表明：当雷诺数在２０００～２００００之间时，ｌｕｅｎｔ的Ｆ）模拟结果与实验结果符合很好．对于实验未给出的雷诺数范围（内实际流量和２００～２０００和２００００～７００００测压管水头差的关系，分别进行计算整理和回归分析，给出其函数关系式．分析喉管相对真空压强与入口速度的关系，得出文丘里管在大小尺寸不变情况下二者之间的关系曲线，并给出文丘里管内部流场分布情况．关键词：Ｆｌｕｅｎｔ软件；流量；雷诺数；水头差文丘里管；中图分类号：１３４ＴＶ文献标志码：Ａ０１１２２１１２收稿日期：－－，男，讲师，主要从事流固耦合问题数值模拟的研究．Ｅ－ｍｌｅｃ１９７６－）ａｉｌ：ｉｈｔｌｕｔ．ｄｕ．ｎ．通信＠ｄ李海涛（）；国家自然科学创新研究群体科学资助项目２０１０Ｂ３２７００Ｃ８项目：国家重点基础研究发展计划项目（（）；辽宁省博士科研启动资助项目（）５０９２１００１２００９１０１２４５２华侨大学学报（自然科学版）０１２年２口压强Ｐ１９９５．８３Ｐａ．ｉｎ＝设入口处压强为Ｐ入口流速为ｖ喉部压强为Ｐ喉部流速为Ｐ出口处压强为Ｐ收缩段局部ｉｎ，ｉｎ，ｔ，ｔ，ｏｕｔ，损失系数为Ｋ渐扩段局部损失系数为Ｋ水头损失用包达定理的形式表示．由于管路很短，沿程损失１，２，所以忽略不计．相对于局部损失很小，）由入口到出口的伯努利方程，有１２２２２（ＰｖＰｏｖｖｖｉｎｕｔｔｏｕｔｖｔ）ｉｎｏｕｔ．＋＝＋＋Ｋ１＋Ｋ２２２２ｇ２ｇｇｇｇｇρρ）由入口到喉部的伯努利方程，有２２２２ｉｎｔｔｔｉｎ＋＝＋＋Ｋ１２ｇ２ｇρｇ２ｇｇρ）由喉部到出口的伯努利方程，有３２２２（ｏｔｔｕｔｏｕｔｔ）ｏｕｔ＋＝＋＋Ｋ２２２ｇ２ｇｇｇｇρρ然后由连续性方程（）３（）４（）５２２２ｖｖｖｉｎ＝ｔ＝ｏｕｔ＝Ｑ，４４４可得到（）６２２２ｖｖ．ｔ＝）ｉｎ＝λｖｉｎ＝λｖｏｕｔｄ）），将式（代入式（可得到７５２２ＰｖＰｏｖｔｔｕｔｏｕｔ２２［（），＋＝＋１＋λ－１Ｋ２２２ｇｇｇｇρρ（）７（）８），再代入式（可得到４２２ｏｉｎｕｔｉｎｏｕｔ４２２［（），＋＝＋１＋λＫ１＋λ－１Ｋ２２２ｇｇｇｇρρ（）９，则有ｖｖ设ｖｉｎ＝ｏｕｔ＝２Ｐ２ｉｎＰｏｕｔ４２２）Ｋ１＋（Ｋ２＝ξ，＝＝［λλ－１２２ｇｇｇｇρρ（）１０）由式（可得到８２２ｏｏｉｎｕｔｕｔ２２４［（），＝＋１＋λ－１Ｋ２－λ＝＋ξ１２２ｇｇｇｇｇρρρ可知：对于渐缩管道常取Ｋ对于１０］０．０４；由文献［１＝［０］扩张角θ由Ｇ如图＝１８．９２°的渐扩段，ｉｂｓｏｎ的实验曲线１（）１１可得出Ｋ≈０．管道直径与喉部直径之比λ＝２，２所示，３５．），（），代入式（可得到１０１１４２２）Ｋ１＋（Ｋ２＝３．７９，λλ－１ξ＝２２４）１＋（Ｋ２－λ１．８５，λ－１＝－１１＝ξ２，Ｐｖ＝１８９５Ｐａｉｎ＝２ρＰｖ２＝－５９２５Ｐａ．ｔ＝１ρ２可知喉部压强误ｌｕｅｎｔ计算结果与模拟结果相比，将Ｆ差为４．入口压强误差为５．这都在可接受的范１８％，３２％．围内，说明数值模拟是准确的，结果也是可信的．图２渐扩管道局部损失曲线Ｆｉ２Ｌｏｃａｌｌｏｓｓｃｕｒｖｅｏｄｉｕｓｅｒｇ．ｆｆｆ文丘里管各截面压强中，喉部的压强最低，在一定条件下会发生空化现象．水在常温（下的２９３Ｋ）［１］，相对压强为－９即当Ｆ应饱和蒸汽压是２３３７Ｐａ１８９８８Ｐａ，ｌｕｅｎｔ计算得到的喉部压强低于该值时，－１－１考虑是否与发生了空化现象．利用上述标准ｋ对入口流速从０．到３．选取了不１ｍ·ｓ５ｍ·ｓ? ε模型，第４期邹星，等：文丘里管流动特性的数值模拟４５３－１同速度进行模拟，而对流速低于０．的，采用层流模型进行模拟，对Ｂ１ｍ·ｓｅｒｎｏｕｌｌｉ方程的动能部分计算结果如表１所示．仍考虑用动能修正系数，ＫＫ１，２值不变，表１不同速度下的数值模拟结果Ｔａｂ．１Ｒｅｓｕｌｔｓｏｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｄｉｅｒｅｎｔｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｆｆｆ－１／Ｖｍ·ｓ３．５７００００２２１４２．３０－７８０７１．１０１０９２．５１０１０２２．４８０２．０４００００７６８９．７３－２５１６８．７０６２４．２８９３３５．２５６０．５１００００５８０．５６－１５０５．５７１５６．０７２２１．２８５０．０６１２００２３．６６－１１．４８１８．７２９０．３５８３．０６００００１６５３４．６０－５７１６９．２０９３６．４３３７５２．００３１．８３６０００６３０６．４４－２０３３２．３０５６１．８６０２７１．７９７０．３６０００２３４．４４－５２５．１５９３．６４３７．７５００．０５１０００１７．８２－７．３７１５．６０７０．２５７２．８５６０００１４５１１．４０－４９７２４．４０８７４．００５６５５．４０１１．４２８０００３９３３．６２－１２２１７．６０４３７．００２１６４．７９２０．２４０００１２４．５５－２１９．１６６２．４２９３．５０７０．０４８００１２．７１－４．１３１２．４７６０．１７２２．６５２０００１２６１４．６０－４２８０２．５０８１１．５７６５６５．４２３１．２２４０００２９４６．９２－８９３７．０９３７４．５７３１２１．２５３０．１２０００４４．０３－４６．７０３１．２１４０．９２６０．０３６００７．９９－２．０７９．３６４０．１０３２．４４８０００１０８４４．８０－３６４０３．００７４９．１４８４８２．０７１１．０２００００１９９５．８３－６１７２．６４３１２．１４４８４．３６４０．０８１６００３６．８５－２２．９５２４．９７２０．６１００．０２４００４．１５－０．７７６．２４３０．０５０２．２４４０００９２０２．７９－３０５２５．４０６８６．７１８４０５．３４８０．７１４０００１０７８．９４－２９８９．５５２１８．５０１４１．５１１０．０７１４００３０．１２－１６．５５２１．８５００．４７６０．０１２００１．４２－０．０６３．１２１０．０１５Ｒｅ／ＰＰａｉｎ／ＰａＰｔ／ＱｍＬ·ｓｈ／ｃｍΔ／Ｖｍ·ｓ－１－１Ｒｅ／ＰａＰｉｎ／ＰＰａｔ－１／ＱｍＬ·ｓｈ／ｃｍΔ－１／Ｖｍ·ｓＲｅ／ＰＰａｉｎ／ＰＰａｔ－１／ＱｍＬ·ｓｈ／ｃｍΔ／Ｖｍ·ｓ－１Ｒｅ／ＰＰａｉｎ／ＰＰａｔ－１／ＱｍＬ·ｓｈ／ｃｍΔ［１２］所给出的测压管水头差Δｈ与实测利用李琼等０．５１５５），流量Ｑ两者间的经验公式（计算出Ｑ＝３４．００５ｈΔ各工况下的误差，并绘制出其与雷诺数的关系曲线，如图３所示．从图３可看出：在雷诺数为２０００～２００００范误差最大不超过７这再次证明了计算方法的准围内，％，确性；但当雷诺数大于２误差就００００或小于２０００时，变得很大，说明经验公式在此范围内不适用，需重新给将以上由数值模拟得到的数据整理并进行出经验公式．拟合，结果如图４所示．大雷诺数下，可得４种拟合的实际流量Ｑ和压差）一阶多项式拟合，Ｑ＝０．ｈ公式：１７９２５ｈ＋３３６．３，ΔΔ－４Ｒ＝０．９７６５；２）二阶多项式拟合，Ｑ＝－４．１２２×１０ｈ＋１．２４５ｈ＋２４３．１，Ｒ＝０．９９８５；３）三阶多项式拟ΔΔ２图３误差与雷诺数的关系曲线Ｆｉ３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｃｕｒｖｅｏｇ．ｐｆｅｒｒｏｒａｎｄＲｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｙ－７３－３２合，Ｑ＝４．６１０×１０ｈ－１．１９７×１０ｈ＋１．６１７ｈ＋１９８．４，Ｒ＝０．９９９９；４）乘幂拟合，Ｑ＝３６．６７×ΔΔΔ０．５０２１，ｈＲ＝１．０００．Δ（，比较上述各拟合公式并结合图４可知当雷诺数在２入口和喉部的压差Δａ）００００～７００００内，ｈ和），实际流量Ｑ按乘幂关系拟合得到的相关系数Ｒ最大（即最接近１拟合相关程度最好．小雷诺数下，可得４种拟合的压差Δｈ和实际流量Ｑ的公式：１）一阶多项式拟合，Ｑ＝３５．３８ｈ＋Δ２）二阶多项式拟合，三阶多项５．０１８，Ｒ＝０．９６４３；２Ｑ＝－３７．９２ｈ＋５８．３４ｈ＋３．１２２，Ｒ＝０．９９５１；３）ΔΔ３２０．５５２８）乘幂拟合，，式拟合，Ｑ＝８７．５５ｈ－１１９．５ｈ＋７７．５６ｈ＋２．３１６，Ｒ＝０．９９９０；４Ｑ＝３２．９２ｈΔΔΔΔ４５４华侨大学学报（自然科学版）０１２年２）小雷诺数ａ）大雷诺数（ｂ（图４流量Ｑ和压差Δｈ的拟合曲线Ｆｉ４ＦｉｔｔｉｎｃｕｒｖｅｂｅｔｗｅｅｎｌｏｗｒａｔｅＱａｎｄｒｅｓｓｕｒｅｄｉｅｒｅｎｃｅΔｈｇ．ｇｆｐｆｆＲ＝０．９９９９．（，比较上述各拟合公式并结合图４可知当雷诺数在２ｂ）００～２０００内入口和喉部的压差Δｈ和实际），即最接近１拟合相关程度最好．流量Ｑ按乘幂关系拟合得到的相关系数Ｒ最大（－１文中计算模型是一个三维对称体，图５给出了ｖ时文丘里管内的静压分布，其右端为入＝１ｍ·ｓ口，左端为出口．从图５可以看出：入口压强较大，在锥面处开始下降，并在整个喉部圆柱段处于较低范围内；低压分布在一个较大圆柱段内，而并不是出现在某一局部，这对于文丘里管流量计的使用寿命是有益的．图６给出了同一工况下的速度分布．从图６中可以看出：入口段和出口段速度较小，锥部及喉管圆柱段速度较大，同压强的分布正好相反，这与由伯努利方程得出的结果一致．图５文丘里管静压分布图图６文丘里管速度分布图Ｆｉ５ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｓｔａｔｉｃｒｅｓｓｕｒｅｉｎｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅＦｉ６Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｖｅｌｏｃｉｔｉｎｖｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｇ．ｆｐｇ．ｆｙ在不改变文丘里管尺寸大小的情况下，喉部压强与入口速度关系曲线如图７所示．从图７可看出：当入口速度较小时，喉部压强也较小，并随着速度的增加而缓慢下降；当－１）速度达到某个值（后，喉部压强迅速降低，并有１．５ｍ·ｓ可能低于该温度下水的饱和蒸汽压而发生空化现象．２结论基于通用Ｃ模拟ＦＤ（ｃｏｍｕｔａｔｉｏｎａｌｌｕｉｄｄｎａｍｉｃｓ）ｐｆｙ同理论计算结软件对文丘里管流动特性进行了数值模拟，果比较发现误差在可接受的范围内，表明了数值模拟的准确性和可靠性．然后，在一个较大范围雷诺数（２００～７０）内模拟得出了实际流量与测压管水头差的关系曲线，０００图７喉部压强与入口速度关系Ｆｉ７Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｔｈｒｏａｔｇ．ｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｐｙ１２］同实验给出的经验公式［在其适用范围（雷诺数为２内的计算结果符合得很好，对文丘０００～２００００）第４期邹星，等：文丘里管流动特性的数值模拟４５５里管的优化设计有一定指导意义．但是在高于和低于其范围时，则存在较大误差．对此，将计算数据进行整理并利用ＭＡＴＬＡＢ软件进行回归分析，分别给出了大雷诺数和小雷诺数范围的函数关系式．同时给出了文丘里管内部流场的并在其大小尺寸不变的情况下，研究喉管压强和入口速度大小之间的关系．这有助于在只知分布情况，道入口速度的情况下推测管内喉部位置是否已发生空化现象，为文丘里管的使用提供指导．参考文献：［］］（：赵雨斌，王家成．文丘里管流量计在东深工程供水计量中的应用［中国仪器仪表，增刊）１Ｊ．２００２４０谭奇峰，－４２．［］盛健，梁国伟．流量计量与测试［北京：中国计量出版社，２苏彦勋，Ｍ］．２版．２００７：７５－７６．［］］（）：王汉卿，庞世强．内文丘里管流量计［仪器仪表学报，３李连科，Ｊ．２００１，２２６５５６－５５９．［］，］４ＬＥＥＪＣＲＯＷＥＣＴ．Ｓｃａｌｉｎｌａｗｆｏｒｍｅｔｅｒｉｎｔｈｅｆｌｏｗｏｆａｓ－ｐａｒｔｉｃｌｅｓｕｓｅｎｓｉｏｎｓｔｈｒｏｕｈｖｅｎｔｕｒｉｓ［Ｊ．ＡＳＭＥｇｇｇｐｇ，（）：ｏｆＦｌｕｉｄｓＥｎｉｎｅｅｒｉｎ１９８２，１０４１８８－９１．Ｊｏｕｒｎａｌｇｇ［］［］ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｓａｒｔｉｃｌｅ５ＳＨＡＦＦＥＲＦＤ，ＢＡＪＵＺＡＲＡ．Ａｎａｌｓｉｓｏｆｖｅｎｔｕｒｅｆｏｒ－ｆｌｏｗｓＪ．ＡＳＭＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｌｕｉｄｓｐｇｐｙ，（）：Ｅｎｉｎｅｅｒｉｎ１９９０，１１２１１２１－１２７．ｇｇ［］６ＤｅＬＥＥＵＷＲ．ＬｉｕｉｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｏｆＶｅｎｔｕｒｉｍｅｔｅｒｒｅａｄｉｎｓｉｎｗｅｔａｓｆｌｏｗ［Ｃ］∥ＮｏｒｔｈＳｅａＦｌｏｗＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｑｇｇ：［］，Ｗｏｒｋｓｈｏ．Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｓｓ．ｎ．１９９７．ｐ［］［］ａｓ７ＳＴＥＶＥＮＲＮ．ＷｅｔｍｅｔｅｒｉｎｗｉｔｈａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｍｏｕｎｔｅｄＶｅｎｔｕｒｉｍｅｔｅｒＪ．ＦｌｏｗＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎ－ｇｇｙ，（／）：ｔａｔｉｏｎ２００２，１２５６３６１－３７２．［］计算流体动力学分析：北京：清华大学出版社，８王福军．ＣＦＤ软件原理与应用［Ｍ］．２００４：１２１－１２２．［］］（）：豆海建，陈思维，等．文丘里管流场的数值研究［中国水泥，９陈作炳，Ｊ．２００５４５８－６０．［］流体力学［北京：高等教育出版社，１０张也影．Ｍ］．２版．１９９９：２８７－２８８．［］］（）：一种实用的水饱和蒸汽压拟合方程［山西农业大学学报，１１韩学孟．Ｊ．１９９６，１６３２７８－２８０．［］］（）：齐鄂荣．文丘里管流动特性的实验研究［中国农村水利水电，１２李琼，Ｊ．２００７１１６５－６７．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＦｌｏｗＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＶｅｎｔｕｒｉＴｕｂｅ１２１２１２ＺＯＵＸｉｎＬＩＨａｉ－ｔａｏ，ＺＯＮＧＺｈｉｇ，（，，；１．ＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｓｉｓｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｕｉｍｅｎｔＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＤａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａｙｙｙｑｐｙｇｙ，，）２．ＦａｃｕｌｔｏｆＶｅｈｉｃｌｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏＤａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａｙｇｇｙｇｙ，，，：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎＶｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｆｏｒｔｈｅｗｉｄｅｒａｎｅＲｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｆｒｏｍ２００ｔｏ７００００ｗｅｒｅｓｉｍｕｌａ－ｇｙ）ｗｔｅｄｗｉｔｈＦｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｃｕｒｖｅｏｆｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（ｂｅｔｗｅｅｎｉｎｌｅｔａｎｄｔｈｒｏａｔａｓｐ，ｗｏｏｄｒｅｓｅｎｔｅｄｈｉｃｈｉｓｉｎａｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｆｏｒ２０００～２００００Ｒｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒ．Ｆｏｒ２００～２０００ｇｐｇｐｙ，２００００～７００００Ｒｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｗｉｔｈｏｕｔｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｏｆｆｌｏｗｒａｔｅａｎｄｙｐｐ，ａｎｄｗａｔｅｒｌｅｖｅｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｗｅｒｅｒｅｒｅｓｓｅｄａｎｄａｆｏｒｍｕｌａｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｅａｃｈｒａｎｅｏｆＲｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｄｇｇｙ，ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｂｅｔｗｅｅｎｒｅｌａｔｉｖｅｖａｃｕｕｍｉｎｔｈｒｏａｔａｎｄｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔａｎｄｔｈｅｉｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｃｕｒｖｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｏｒｔｈｅｒｅｓｓｕｒｅｐｐｙｐ，，ｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｓｉｚｅｏｆＶｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅ．Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｉｎｎｅｒｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｕｃｈａｓｖｅｌｏｃｉｔａｎｄｓｔａｔｉｃｒｅｓｓｕｒｅｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｙｐ：；；；；ｗＫｅｗｏｒｄｓＶｅｎｔｕｒｉｔｕｂｅｆｌｕｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｏｗｒａｔｅｒｅｎｏｌｄｓｎｕｍｂｅｒａｔｅｒｌｅｖｅｌｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｙｙ（责任编辑：陈志贤英文审校：郑亚青）耦合边界条件下蜂窝陶瓷传热及气体流动特性的数值模拟龚晖1,2，曾令可2，税安泽2(1.珠海市旭日陶瓷，珠海，519110，2.华南理工大学材料科学与工程学院，广州，510640）摘要：本文通过建立蜂窝陶瓷传热及气体流动的三维非稳态模型，运用计算流体力学(CFD)软件，在耦合边界条件下对蜂窝陶瓷的工作过程进行数值模拟，得到了启动过程中蜂窝陶瓷热端和冷端的气体温度及压力变化规律，以及稳定工作期内，蜂窝陶瓷内气体温度、速度、和压力的分布规律。
传热学
一、名词解释：1）特征数:像毕渥数、雷诺数这一类表征某一类物理现象或物理过程特征的无量纲数称为特征数，习惯上又称准则数。
2)流动边界层: 在固体表面附近流体速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层（又称速度边界层）。
3）时间常数：采用集中参数法分析物体过余温度降到初始过余温度的36%所需的时间，即t=ρCV/h a。
4）立体角:为一空间角，它是以立体角的角端为中心，作一半径为r的半球，将半球表面上被立体角切割的面积与半径平方r2的比值作为立体角的大小，单位：S r（球面度），微元立体角dΩ=dA c/r2。
5）(定向)辐射强度：从黑体单位可见面积发射出去的落到空间任意方向的单位立体角Φ能量。
二、判断题：1)流体横掠管束时，一般来说管子顺排的排列方式比叉排列换热效果好；(×)2)乘积解法主要应用于简单几何形状的多维非稳态导热问题的求解；( √)3)在基本条件一致的情况下，强制对流比自然对流换热效果好；(√)4)边界层理论的提出使得求解对流换热问题的控制方程成为可能；(√)5)普朗特数Pr表示的是动量扩散能力和热量扩散能力的一种量度；(√)6)光谱辐射力是指某一波长辐射能的辐射力；(×)7)自然对流的动量微分方程中比强制对流多出了体积力项；(√)8)冷凝器一般采用水平管的布置方式；(√ )9)与地球相比，火星上的昼夜温差比较大是因为火星上没有大气层的缘故；（×）10)微波炉是利用远红外线均匀加热食物的。
(√)三、简答说明题1）简述影响膜状凝结的因素及其强化换热的原理；答：影响膜状凝结最重要的是：①流体的种类；②换热面的几何形状，尺寸和位置；③蒸气压力及温差t s-t w。
其次还有不凝结气体，管子排数，管内冷凝，蒸气流速，蒸气过热度，液膜过冷度及温度分布的非线性。
原理：蒸气膜状凝结时，热阻取决于通过液膜层的导热。
因此尽量减薄膜液膜层的厚度是强化膜状凝结的基本手段：①减薄蒸气凝结时直接粘滞在固体表面上的液膜；②是及时地将传热表面上产生的凝结液体排走，不使其积存在传热表面上而进一步使液膜加厚。
传热学第五章_对流换热原理-1
Velocity = v Velocity = 0
Velocity Temperature
Boundary Boundary
Layer
Layer
HOT SURFACE, TEMP = TH
3. 热边界层厚度δt和流动边界层厚度δ的区 别与联系
(2) 边界层产生原因：
由于粘性的作用，流体与 壁面之间产生一粘滞力， 粘滞力使得靠近壁面处的 速度逐渐下降，最后使壁 面上的流体速度降为零， 流体质点在壁面上产生一 薄层。随着流体的流动， 粘滞力向内传递，形成的 薄层又阻碍邻近流体层中 微粒运动的作用，依此类 推，形成的薄层又阻碍邻 近流体层微粒运动，到一 定程度，粘滞力不再起作 用。
➢ 如果流体为粘性流体，情况会如何呢？我们用一测速仪来 测量壁面附近的速度分布。测量发现在法向方向上，即y 方向上，壁面上速度为零，随着y方向的增加，流速急剧 增加，到达一薄层后，流速接近或等于来流速度，普朗特 研究了这一现象，并且在1904年第一次提出了边界层的概 念。
普朗特在仔细观察了粘性流体流过固体表面的特性后提出了 突破性的见解。他认为，粘滞性起作用的区域仅仅局限在 靠近壁面的薄层内。在此薄层以外，由于速度梯度很小粘 滞性所造成的切应力可以略而不计，于是该区域中的流动 可以作为理想流体的无旋流动。这种在固体表面附近流体 速度发生剧烈变化的薄层称为流动边界层(又称速度边界 层)．图5—5示出了产生流动边界层的两种常见情形。如 图5—5a所示，从y＝o处u＝0开始，流体的速度随着离开 壁面距离y的增加而急剧增大，经过一个薄层后u增长到接 近主流速度。这个薄层即为流动边界层，其厚度视规定的 接近主流速度程度的不同而不同。通常规定达到主流速度 的99％处的距离y为流动边界层的厚度，记为δ 。
传热学知识总结1
传热学主要知识点1. 热量传递的三种基本方式。
热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。
2．导热的特点。
a 必须有温差；b 物体直接接触；c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中。
3.对流〔热对流〕(Convection)的概念。
流体中〔气体或液体〕温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处传递到另一处的现象。
4对流换热的特点。
当流体流过一个物体外表时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下特点：a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程b 必须有直接接触〔流体与壁面〕和宏观运动；也必须有温差c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层5.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。
6. 热辐射的特点。
a 任何物体，只要温度高于0 K ，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4次方。
7.导热系数, 外表传热系数和传热系数之间的区别。
导热系数：表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。
外表传热系数：当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。
影响h 因素：流速、流体物性、壁面形[]W )(∞-=t t hA Φw []2m W )( f w t t h AΦq -==状大小等。
传热系数：是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。
8.实际热量传递过程：常常表现为三种基本方式的相互串联/并联作用。
9.复杂传热过程第一章 导热理论基础1傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的意义。
傅立叶定律〔导热基本定律〕：垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反。
(1)空隙中充有空气,空气导热系数小,因此保温性好;(2)空隙太大,会形成自然对流换热,辐射的影响也会增强,因此并非空隙越大越好。
水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究
水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究水轮机是水力发电系统中的核心部件,工作在旋转湍流下会产生非定常压力脉动、空化、泥沙磨损、流激振动等严重影响机组正常运行的问题。
研究该类问题具有工程实际意义和理论学术价值。
数值模拟已成为当前研究水轮机内部流场及其复杂流动机理的重要工具。
本文采用现代计算流体动力学中的先进数值模拟方法,围绕困扰水轮机领域安全高效稳定运行的一些技术难题开展工作,研究内容和取得的成果如下：(1)基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟(LES)方法中的Smargorinsky-Lilly亚格子应力模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε湍流模型稳态计算的结果作为初始条件,对某原型混流式水轮机全流道进行了三维瞬态湍流数值模拟。
采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落。
模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程。
计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考。
(2)基于不可压缩流体瞬态N-S方程对混流式水轮机内部三维非定常流进行精细模拟分析,以标准k-ε湍流模型对水轮机进行全流道定常计算的结果作为初始流场,应用较新的分离涡模拟(DES)和滑移网格技术进行了水轮机考虑两级动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到了偏工况下活动导叶出口及转轮叶道内涡量场及速度场分布特性。
模拟了大尺度涡旋结构的卷起、发展等瞬态演化过程,结果表明DES方法可以更加全面真实地模拟水轮机内部的流动情况,捕捉到水力机械中复杂流道内的三维动态涡结构。
该研究对于探讨影响水力发电机组出力摆动的水轮机涡激振动的内在机理、确保机组的安全稳定运行具有重要意义。
(3)基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,加入考虑气穴影响的Schnerr and Sauer空化模型,采用标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型(MRF),对某原型混流式水轮机全流道进行了三维定常空化湍流数值模拟。
传热学知识点及思考题小结（汇编）
传热学知识点及思考题小结（汇编）第一篇：传热学知识点及思考题小结1.夏季在维持20℃的室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季在保持22℃的室内工作时，却必须穿绒衣才觉得舒服。
试从传热的观点分析原因。
【要点】首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。
夏季室外温度比室内气温高，因此通过墙壁的热量传递方向是出室外传向室内。
而冬季室外气温比室内低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。
因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。
因此，尽管冬季室内温度(22℃)比夏季略高(20℃)，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。
人体对冷感的感受主要是散热量，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
2.工程中应用多孔性材料作保温隔热,使用时应注意什么问题?为什么? 【要点】保温材料应注意防潮。
保温材料的一个共同特点是它们经常呈多孔状，或者具有纤维结构，其中的热量传递是导热、对流传热、热辐射三种传热机理联合作用的综合过程。
如果保温材料受潮，水分将替代孔隙中的空气，这样不仅水分的导热系数高于空气，而且对流传热强度大幅度增加，这样材料保温性能会急剧下降。
3.在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？【要点】采用空心砖较好，因为空心砖内部充满着空气，而空气的导热系数相对较小，热阻较大，空心砖导热性较之实心砖差，同一条件下空心砖的房间的散热量小保温性好。
4.工程中应用多孔性材料作保温隔热,使用时应注意什么问题?为什么? 【要点】保温材料应注意防潮。
保温材料的一个共同特点是它们经常呈多孔状，或者具有纤维结构，其中的热量传递是导热、对流传热、热辐射三种传热机理联合作用的综合过程。
如果保温材料受潮，水分将替代孔隙中的空气，这样不仅水分的导热系数高于空气，而且对流传热强度大幅度增加，这样材料保温性能会急剧下降。
5.一块被烧至高温(超过400℃)的红砖，迅速投入一桶冷水中，红砖自行破裂，而铁块则不会出现此现象。
T型三通管道不同流向的数值模拟分析
1计算模型
1.1模型选择
固体颗粒与T型管道发生碰撞后会产生冲蚀磨 损,在研究过程中需要考虑离散相与连续相的相互作 用，因此选用颗粒轨迹模型，并应用Fluent中的Erosion/Corrosion Research Center 冲蚀磨损模型对 T 型管 进行冲蚀仿真研究，因此，本工作采用冲蚀磨损模型。
@
第54卷・第6期・2021年6月
锈钢材料的冲蚀磨损率随着冲蚀角度的增加而增加。 综上,大部分学者针对管道的冲蚀磨损问题研究
的是冲蚀角度、冲蚀速度对管道的冲蚀影响，未考虑其 他影响冲蚀现象的因素。为此,本工作研究不同流向 对管道的冲蚀影响，采用数值模拟方法，研究了 4种工 况下的冲蚀位置以及应力和形变量，便于工业使用中 对易冲蚀磨损位置进行加固。
上海交通大学传热学V4-第06章-单相对流传热的实验关联式2017-2018 (1)
⇒
a1 = 0 b1 = 1 c1 = −1 d1 = 0
0
π 1 = hu d λ η
= hu d λ η =
0
1 −1
hd
λ
= Nu
SJTU-WYD
Shanghai Jiao Tong University
SJTU-WYD
Shanghai Jiao Tong University
（4）准则方程不能任意推广到得到该方程的实验参数的范围以外 参数范围主要有： Re数范围；Pr数范围；几何参数范围。 对实验关联式的正确认识！！！ 应用每个实验公式所造成的计算误差（不确定度），常常可达20%甚至是 25%。对于一般的工程计算，这样的不确定度是可以接收的。当需要做精确
h′ = −
λ ′ ∂t ′
∆t ′ ∂y ′
=0
y′=0
现象2：
h′′ = −
λ ′′ ∂t ′′
∆t ′′ ∂y ′′
y ′′ = 0
=0
与现象有关的各物理力量场应分别相似，即：
h′ t′ λ′ = Ct = Ch = Cλ ′ t ′′ h′ λ ′′
Ch C y Cλ
h′′ = −
λ ′′ ∂t ′′
lg( Nu Pr 0.4 ) 为纵坐标，用
不同Re数的管内湍流传热实验数据确定C。
lg = Nu lg C ′ + m lg Pr
m lg 200 − lg 40 ≈ 0.4 lg 62 − lg1.15
Nu = C Re n Pr 0.4 ⇒ Nu ⇒ lg( Nu Pr 0.4
Pr
n Re C = 0.4
λ
=
∂[(tw − t ) (tw − t f )] ∂( y l )
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热措施， 为降低烟气流速创造了条件， 从而达到了防 止省煤器磨损的目的9 因此， 近年来， 横掠光管管束 及各种鳍片管束的流动换热问题又引起了研究者们 的关注9 横掠管束流动换热的研究资料可见诸报道，
图 - 示出了横掠管束周期性流动通道的一部 流体为不可压缩， 流动为 分! 来流的平均流速为 !/， 层流， 描述其流动的无量纲微分方程组为
圆区域计算时， 所采用的网格数为 , 当取整 *F" + 3 圆区域计算时， 所采用的网格数为, * F E + 3
* 计算结果
图- 横掠管束的流动模型示意图
! 3 " 稳态模型的结果 本文利用稳态模型对横掠管束周期性充分发展 流动的半圆区域进行了计算， 发现当迭代到 , + +次
［ ， ］ ［ ］ " # 动 ! $ % ’ ( )等人 * 对这种横掠管束周期性充分 &
! " ! " ! " $" $& ( ! # ! % ! ’
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流速的分量和压力， ／ （ 4..） ， 为最窄 !/ !/ 2 % 09 4 2 截面处的流速； " 和# 为密度和粘度3 假设流动是周期性充分发展的流动， 取一个周 期为计算区域， 因此在 % 坐标方向上给出如下周期 性边界条件 ， （% (+ （% ( 2 ／ ， ，） " ’， #） (" :. ’ # （ ） # ， （% (+ （% ( 2 ／ ， ，） & ’， #） (& :. ’ # （ ） , 当取半圆区域 （即图 - 中阴影部分） 计算时， 在 ／ ’ 坐标方向的 * 个边界 ’ 9+ 和 ’ 92 . 上给 * 4 出对称边界条件3 在对整个计算区域整体求解时， 可 用阶梯形近似代替圆边界， 并在整个圆管上给出 " 9& 9 +的条件3 数值计算方法为基于原始变量的有限差分法，
#， #， #， $ # $ % ( # " ) * $ % , % ( ,. , $ % / ( % , * 1 2 " % &’ + &0
（ ， ， ， ； # 9 5 B C 7 7 8 7 DE 7 F G H4 I K I G G H K I ( I K ; G H L K M D 5 C O I C O K D 7 H 5 B K G I B G O I P1 G B C I 7 8 7 5 C O I C O K $ % % % = ! Q C K I O J J N7 J J N J ） $ 9 5 C O I P 7 I 7 S T K O IE 7 F G HE 8 O I M JR
. #） ， 但当进一步增加迭代次数， 例如 对变化小于+
" ! & ! $ (+ ! % ! ’ 以上方程中的无量纲量定义如下 %(
! !/ .， !/ -， % 0 % 0 " ， ’ ( /， #( + ,( "( . . . # ! ， 0 ， &( *( 1 * !/ !/ ! % 0 % 0 / % 0 " 式中： 和 分别是空间和时间的坐标变量； -、 ! # / 是无量纲时间； + ,为 1 !、 0 和1 分别为 2 4 5 6 7 8数； 3
* * * & ! & ! ! $ （ * $ *） ) ! ’ + ,! % ! ’
（ ） * （ ） "
发展的流动和换热进行了数值模拟， 他们采用的是
［ ］ 稳态数学模型! 在其计算的参数 $ % ’ ( )等人 * 提到， &
范围内， 流动和换热是非稳态的， 但非稳态变化对数 值结果的影响不大， 因此虽然其采用的是稳态模型， 数值结果仍与有关文献的实验结果一致! 我们也用 稳态数学模型对这种问题进行了数值模拟， 但在迭 代求解中发现， 当迭代求解次数较少时， 例如在 " + + 计算结果看上去已收敛 （无量纲连 ! , + +次以下时， . # 前、 后两次迭代相 续性方程余项最大值小于 + ，
［ ］ * 的计算结果是在大约迭代 " 人 + +!, + + 次时得到
的， 由于其迭代计算次数较少， 上述问题没有反映出 来! 本文的目的是用非稳态模型对横掠管束周期性 充分发展流动问题进行数值模拟， 并与稳态模型的 结果进行比较， 探讨对这种问题的数值模拟方法及 其流动随时间的变化规律!
- 问题的数学描述和数值方法
横掠管束非稳态周期性充分发展流动的数值模拟
杨 茉#，叶剑军#，邹 宽#，董桂珍$
（ 上海理工大学动力学院， ，上海； 山东邹城市邹县发电厂） # 9 $ % % % = ! $ 9
摘要：以锅炉省煤器中的流动和换热为应用背景， 分别采用稳态和非稳态的数学模型对横掠管束 的周期性充分发展流动进行了数值模拟9 结果表明， 在! 横掠管 " 大于# " %到小于#% % %的范围内， 束的周期性充分发展流动问题是非稳态的9 当采用稳态模型时， 数值计算结果会随迭代次数的增加 而振荡， 得不到收敛的稳态解9 当采用非稳态模型计算时， 对节距较小的情况， 在管的后缘处得到对 称的非稳态涡； 对节距较大的情况， 在管的后缘处得到周期性脱落的非对称涡9 关键词：周期性充分发展流动； 管束； 数值模拟 中图分类号：1 A # $ @ 文献标识码： +
［ ］ 对流扩散项用 ; 并用 @ < = > ? 差分格式 , ， = A B C D ［ ］ " 圆管上的速度为 + 的 方法处理压力与速度耦合 3 ［ ］ E 条件由总体系数法 给出， 周期性边界条件采用扩 ［ ］ # 当取半 大区域并按进、 出口值回代的方法处理 3
增加到*+ 计算结果会有较大的变化， + +次以上时， 并且是不停地变化， 始终不能得到稳定不变的结果! 可以认为， 由于卡门涡的存在， 此问题事实上是非稳 态的， 因而用稳态模型得不到收敛的解! $ % ’ ( )等 &