幂律流体方腔自然对流换热数值分析精品
lbm 方腔自然对流程序
lbm 方腔自然对流程序自然对流是指在没有外力驱动的情况下，由于温度差异引起的流体运动。
在生活中，我们常常会遇到一些与自然对流有关的现象，比如水壶中的水会因热胀冷缩而产生热气上升的现象，热空气会从窗户朝外流出等等。
而在工程领域，我们需要对自然对流进行深入研究，以便更好地理解和应用这一现象。
为了更准确地模拟和预测自然对流的行为，科学家们开发了许多数学模型和计算方法。
其中，LB（Lattice Boltzmann）方法是一种非常常用的数值计算方法，特别适用于模拟复杂的流体运动。
LB方法将流体看作是由大量微小粒子组成的，通过在空间中构建一个网格来模拟流体的运动。
在这个网格中，每个微小粒子都有一定的速度和密度，并通过碰撞和散射的过程来描述流体的运动。
在研究自然对流的过程中，LB方法可以很好地模拟流体在容器内的温度分布、速度场以及压力场等。
通过调节初始条件和边界条件，我们可以模拟不同温度差异下的自然对流现象。
这对于很多工程问题来说具有非常重要的意义。
比如在建筑物的设计中，我们需要考虑到自然对流的影响，以便优化空调系统的设计，提高能源利用效率。
此外，在电子设备散热和核能工程等领域，自然对流也是一个重要的研究课题。
在实际应用中，LB方法的计算结果与实验结果和其他数值方法的结果进行对比，可以发现其准确性和可靠性。
同时，LB方法还具有较少的计算资源占用和较快的计算速度的优点。
这使得它在工程领域的应用非常广泛。
总之，LB方法是研究自然对流的重要工具之一。
通过模拟自然对流现象，我们可以更好地理解和预测流体的行为，并在工程实践中应用这些知识。
未来，随着计算技术的发展，LB方法还将进一步改进和应用于更多领域，从而促进工程科学的发展。
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟
多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟引言多孔介质方腔内自然对流是一个复杂的物理现象，对于理解和优化多孔介质中的传热传质过程具有重要意义。
本文将通过数值模拟的方法，探讨多孔介质方腔内自然对流的影响因素。
二级标题1三级标题1.1在多孔介质方腔内，自然对流的影响因素之一是温度差异。
温度差异可以通过控制加热或冷却边界条件来实现。
数值模拟可以用来研究不同温度差异对自然对流的影响。
三级标题1.2另一个影响自然对流的因素是多孔介质的渗透率。
渗透率是描述多孔介质中流体流动能力的参数。
通过调整多孔介质的渗透率，可以改变自然对流的强度和方向。
数值模拟可以用来研究不同渗透率对自然对流的影响。
三级标题1.3多孔介质的孔隙结构也会对自然对流产生影响。
孔隙结构可以通过调整多孔介质的孔隙率、孔隙形状和孔隙分布来改变。
数值模拟可以用来研究不同孔隙结构对自然对流的影响。
三级标题1.4流体的物性参数也会对自然对流产生影响。
例如，流体的黏度和密度会影响流体的运动和热传递。
通过改变流体的物性参数，可以调整自然对流的特性。
数值模拟可以用来研究不同流体物性参数对自然对流的影响。
二级标题2三级标题2.1数值模拟方法的选择对于研究多孔介质方腔内自然对流也非常重要。
常用的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法和边界元法等。
选择合适的数值模拟方法可以提高模拟结果的准确性和计算效率。
三级标题2.2在进行数值模拟之前，需要建立合适的数学模型。
数学模型应该包括流体流动和热传递的基本方程，以及多孔介质的物理特性参数。
通过合理的模型假设和适当的边界条件，可以准确描述多孔介质方腔内自然对流的行为。
三级标题2.3数值模拟的结果需要进行验证和验证。
验证是指将数值模拟结果与已知的实验数据进行比较，以验证数值模拟的准确性。
验证结果与实验数据吻合良好的模拟可以被认为是可靠的。
验证之后，还可以进行灵敏度分析，以研究不同影响因素对自然对流的影响程度。
三级标题2.4数值模拟的结果可以通过可视化的方法进行展示。
流体无相变时的对流换热
Nu = c Re Pr 令 Re = const C ′ = c Re n
n m
lg Nu = lg C ′ + m ln Pr m可求，同理使 Pr = const
Nu lg 0.4 = lg C + n lg Re Pr C, n可得
Nu = 0.023 Re 0.8 Pr 0.4 （管内紊流）
如：强制对流换热和自然对流换热，虽然都是对流换热现象， 但它们不是同类现象。点场和温度场也不是同类现象。 两个物理现象相似时，其有关的物理量场分别相似。 重要性质：彼此相似的现象，它们的同名准则必定相等。
换热微分方程式：α = − 现象a： 现象b：
λ ∂t
∆t ∂y
y =0
α′ = − α ′′ = −
Pe′ = Pe′′ －－贝克利准则
uL νuL Pe = = = Pr⋅ Re a νa 对于自然对流，则须
(Pr⋅ Re)′ = (Pr⋅ Re)′′
Gr ′ = Gr ′′
－－格拉晓夫准则
βg∆tL3 Gr = ν2
几个准则的物理意义： 雷诺准则：反映流体的惯性力与粘滞力之比的相对大小。 格拉晓夫准则：反映流体的浮升力与惯性力的相对大小。 普朗特准则：反映流体的动量传递能力与能量传递能力的相对 大小。 努谢尔特准则：反映实际热量传递与导热分子扩散量传递的比 较；Nu越大，则换热越强。 Bi和Nu的区别： 1、λ不同。前者为固体，后者为流体 2、物理意义不同。 αL 公式Nu =
λ
３．相似准则之间的关系 Nu = f (Re, Pr) 紊流强制对象： 过渡区： Nu = f (Re, Pr, Gr ) 自然对流：
Nu = f (Pr,Gr )
其中：
传热学-自然对流传热
讨论题
强制对流平板边界层与竖板 自然对流边界层的相同点与不 同点是什么？
19
大空间自然对流传热的实验关联式
Nu cGrPrn cRan tm ts ta / 2
流态
c
n
Gr适用范围
竖平板 竖圆柱
横圆柱
层流 过渡流
湍流 层流 过渡流 湍流
0.59 0.0292
0.11 0.48 0.0445 0.1
求得温度分布后可进一步求壁面热流 和努谢尔数
qx t
y
'0ts ta 'y
y0
'
0ts
ta
1 x
4
Grx 4
qx
ts ta
x
hxx
Nu x
15
解的讨论
Pr t
竖板壁面温度梯度上升
Pr f ' 壁面处的速度梯度减小
Pr>1时， / t随Pr的增加而增加 Pr<1时， / t~1，几乎不随Pr的减小而变化
25
壁面为等热流条件的准则关系式
Nux 0.60 Gr* Pr 1/5
Gr* GrNu g ql4 2
105 Gr* 1011
• 等热流条件下需要求的是壁面温度， 要求出壁温，须先假定一个壁温，而 后试算，并采用迭代法求出。
26
水平平板（等热流）准则关系式
Nu B Gr* Pr m
B
m Gr*适用范围
1.076 1/6 0.747 1/6
6.37105 ~1.12 108
27
有限空间自然对流传热的实验关联式
28
竖直空气夹层
Nu
0.197 Gr
Pr 1/4
5-5-自然对流
管束的排列方式有顺排和叉排两种形式。叉排中的 流动扰动比顺排时要剧烈，因此换热也较强。此外， 管束的间距s1和s2及管排数也影响换热强度。
顺排 叉排
最小截面
高正阳
传热学 Heat Transfer
2. 平均表面传热系数 h 计算的关联式
Nu C Re
m
式中C、m 之值见教材表,上式主要用于气体，因此Pr 数的影响归到了系数 C 中。
2 2
高正阳
传热学 Heat Transfer
三、大空间自然对流换热的实验关联式
自然对流换热分类：
大空间 有限空间
常用的关联式： Nu C (Gr Pr)
n
Gr
g v tl
2
3
Ra Gr Pr
高பைடு நூலகம்阳
传热学 Heat Transfer
t w t
t w t
水平大平板上下不同的自然对流状态示意图
Nu C Re Pr
n 1/ 3
式中C、n 之值见教材表5-5 定性温度取
tr 1 2
t
w
tf
特征长度取管外径d
特征流速取来流速度
u
对于高温气流冲刷的管子，若 壁温过高，可能发生爆管现象， 在管子的那一点易发生？
高正阳
传热学 Heat Transfer
二、外掠管束换热实验关联式
1. 流动和换热的特征
高正阳
传热学 Heat Transfer
1. 在对流温差大小相同的情况下，在夏季与冬季， 屋顶天花板内侧的对流换热是否相同？为什么？ 2. 在地球上设计的一个自然对流换热实验装置，是 否同样可以在宇宙飞船上进行实验？
高正阳
自然对流及强制对流及计算实例
自然对流及强制对流及计算实例自然对流和强制对流是流体传热过程中两种常见的方式。
本文将分别介绍自然对流和强制对流的概念及原理，并给出两个计算实例。
一、自然对流自然对流是指在一定温度差的作用下，由于密度差异而产生的流动。
当热源加热后，周围的流体受热膨胀，密度减小，上升；而冷却的流体密度增大，下降。
这种密度差异引起的流动即为自然对流。
自然对流的计算通常基于格拉希霍夫数（Grashof number），其计算公式为：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2其中，g为重力加速度，β为热膨胀系数，Ts为表面温度，T∞为远场流体温度，L为特征长度，ν为流体的运动黏度。
计算实例：假设有一个热源表面温度Ts=100°C，周围流体的温度为T∞=20°C，表面积为A=2m^2，特征长度L=1m，流体的运动黏度为ν=0.01m^2/s，重力加速度g=9.8m/s^2，热膨胀系数β=0.001K^-1、求解此情况下的格拉希霍夫数。
解：Gr=g×β×(Ts−T∞)×L^3/ν^2=9.8×0.001×(100-20)×1^3/0.01^2=7840根据格拉希霍夫数的大小，可以判断自然对流的状况。
当Gr<10^8时，自然对流的影响较小；当10^8<Gr<10^10时，自然对流的影响较大；当Gr>10^10时，自然对流的影响非常显著。
二、强制对流强制对流是通过外部力驱动流体运动，使传热加剧的一种方式。
常见的外部力包括压差、气流、涡流等。
强制对流通常具有较高的传热效率和传热速度。
强制对流的计算通常基于雷诺数（Reynolds number），其计算公式为：Re=ρ×V×L/μ其中，ρ为流体密度，V为流体速度，L为特征长度，μ为流体的黏度。
计算实例：假设有一段液体流经一个直径为0.1m的水管，流速为1m/s，液体密度为1000kg/m^3，液体黏度为0.01kg/ms。
工程热力学与传热学：10-2 对流换热的数学描述
流动中流体温度分布受速度分布影响。
局部表面传热系数的变化趋势。
y u∞ tf
主流区 u∞
u∞
对流
u
导
qδ
u
层流底层 q
热 0 层流边界层xc 过渡区 湍流边界层 l x
导 热
hx
导热 热阻0 增大
扰动 表面传热系数
热阻 增大
x
普朗特准数Pr
• 定义：Pr
a • 物理意义：
u∞y
u∞
t∞
δ
t∞
δt
流体的导热系 数
qx
t
y
y0,x
又由牛顿冷却公式：
qx hx (tw t )x
y 导热 u∞
qx
0
u∞ u x
局部表面传热系数：
hx
(tw
t )x
t y
y0,x
平均表面传热系数： h t
tw t y y0 温度场
5. 对流换热的单值性条件 （1） 几何条件：
对流换热表面的几何形状，尺寸，壁面与 流体的相对位置，壁面粗糙度。
✓ 首先确定：u ~ 0(1), t ~ 0(1), l ~ 0(1), ~ 0(1)
✓ 从而： ~ 0( ), t ~ 0( ), x ~ 0(1), y ~ 0( )
✓
且：u
x
~
0(1),
t x
~
0(1),
v y
~
0(1),
v
~
0(
),
t y
~
0( 1
)
p ~ 0(1), p ~ 0( ), ~ 0( 2 ), a ~ 0( 2 )
恒壁温边界条件（Constant temp B.C）
内置发热体的封闭方腔自然对流换热数值模拟
ｒ ｃ ａ ｇｕ ａ ｃ ｖ ｔ ｗｅ ｅ ａ ｒｅ ｏ ｂｙ ａ ｙ ｎｇ ｈｅ ａ ｕｅ ｏ ｄ ｍ ｅ ｉ ｎｌ ｓ ｈｅｇｈｔ ａ Ｒａ ｅｇ ｅ ｔ ｎ ｌ ｒ ａ ｉｙ ｒ ｃ ｒ ｉ ｄ ｕｔ ｖ ｒ ｉ ｔ ｖ ｌ ｓ ｆ ｉ ｎｓｏ ｅ ｓ ｉ ｂ ｎｄ ｙｌｉ ｈ
ｗ ｉｈ ａ ｈｅ ｔ ｒｏ ａ ｉｂｌ ｉ ｅ ｉ ｎ． ｎ ｌ ｓ ｓｏｎ ｉｏｔ ｅ ｍ ｓ，ｓ ｒ ａ ｌｎｅ ｎ ｖｅ ａ ｕ ｓ ｌ ｎ ｔ ａ ｅ ｆｖ ｒａ ｅ ｄ ｍ ａ ｒ ｇｅ Ｎ ｓ ｅ ｔ ｕｍ ｂｅ ｎ ｔ ｒｉ ｈｅ
Ｎ ｕ ｅ ｉ ａ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ａ ｕ ａ ｏ ｅ ｔｏ ｎ ｒ ｃ ａ ｕ ａ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｎ ｔ ｒ ｌｃ ｎｖ ｃ ｉ ｎ ｉ ｅ ｔ ｎｇ ｌ ｒ ｃ ｖ ｔｅ ｉｈ ａ ｈ ａ ｅ ｆｖ ｒ ａ ｌ ｉ ｅ ｓｏ ａ ｉｉ ｓ ｗ ｔ ｅ ｔ ｒ ｏ ａ ｉ ｂ ｅ ｄ ｍ ｎ ｉ ｎ
ｎｕ ｂｅ ． ｍ ｒ Ｔｈｅ ｓｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｗ ｈａ ｎ ｖ ｅ ｔ ｆｅ ｔ ｎ ｔ ｎ ｔ ｒ ｌ ｏｎ ｅ ｔｏ ｎ ｔ ｉ ｌ ｔｏ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｔ ｔ ｂ ａ ｄ Ｒａ ｈａ ｅ ａ ｇｒ ａ ｅ ｆ ｃ ｏ ｈｅ ａ ｕ ａ ｃ ｖ ｃ ｉ ｎ ｉ ｈｅ
摘 要 ：对 底 部 中心 位 置 具 有 不 同 大 小 内热 源 的 二维 封 闭 方 腔 自然 对 流 换 热 问 题 进 行 了数 值 模 拟 。通 过 改 变 内 热
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学 号
密 级__________ 哈尔滨工程大学学士学位论文 幂律流体方腔自然对流换热数值分析 院（系）名 称：核科学与技术学院 专 业 名 称：核工程与核技术 学 生 姓 名：XXX 指 导 教 师：XXX 教授 哈尔滨工程大学 201X年 X 月文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑,有帮助欢迎下载支持.
2文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 学 号 密 级____________ 幂律流体方腔自然对流数值分析
Numerical Analysis of Pow-law Fluid Natural Convection in Square Cavity 学 生 姓 名：XXX 所 在 学 院：核科学与技术学院 所 在 专 业：核工程与核技术 指 导 教 师：XXX 职 称：教授 所 在 单 位：哈尔滨工程大学 论文提交日期：201X年6月16日 论文答辩日期：201X年6月21日 学位授予单位：哈尔滨工程大学文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑,有帮助欢迎下载支持.
文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 摘 要 封闭方腔自然对流问题对核反应堆的安全设计有着重要意义，但是目前已有研究大多围绕牛顿流体进行，而实际上自然界大多数流体为幂律流体，针对幂律流体在方腔内自然对流换热的研究是有实际意义的。 本文先对方腔建立了物理模型，然后利用GAMBIT软件对其进行网格划分。为了提高精度和减少计算时间，本文采用非均匀网格划分，将划分好的网格导入FLUENT中后，通过FLUENT软件进行数值模拟。本文主要研究幂律指数和瑞利数对自然对流换热的影响。结果表明幂律指数和瑞利数对幂律流体方腔自然对流均有较大影响，且随着幂律指数和瑞利数的增大，方腔内的自然对流越来越剧烈。当幂律指数大于10时，方腔内的流动由层流转为湍流。 关键词：幂律流体；自然对流换热；方腔 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑,有帮助欢迎下载支持.
I文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. ABSTRACT The research of Non-Newtonian fluid natural convection in square cavity is very significant for security design of nuclear reactor.right now most of the research is focus on the Newtonian fluid ,but most of fluid is Non-Newtonian in the nature.So it is meaningful to research the Non-Newtonian fluid natural convection in square cavity. This article establish a physical model for a square cavity at first,and then use GAMBIT software to mesh the physical model.In order to improve the accuracy,we use non-uniform mesh,after import grid in FLUENT,we start to simulate by FLUENT.This research mainly discus the effects of Power-law exponent and Rayleigh number for the Non-Newtonian fluid natural convection in square cavity.The result show the Power-law exponent and Rayleigh number have a great impact for the Non-Newtonian fluid natural convection in square cavity,and with the power-law exponent and Rayleigh number increases ,the natural convection become more and more intense. Key words：Power-law fluid; Natural convection; Square cavity 文档收集于互联网，已重新整理排版.word版本可编辑,有帮助欢迎下载支持.
II文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑. 目 录 第1章 绪论 .............................................................................................................................. 0 1.1 课题背景 ...................................................................................................................... 0 1.2 研究意义 ...................................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状 .......................................................................................................... 1 1.4 本文工作 ...................................................................................................................... 3 第2章 仿真模型的建立 .......................................................................................................... 5 2.1 FLUENT软件介绍 ....................................................................................................... 5 2.1.1 FLUENT概述 ..................................................................................................... 5 2.1.2 FLUENT的功能 ................................................................................................. 5 2.1.3 FLUENT组成 ..................................................................................................... 7 2.2 GAMBIT软件介绍 ...................................................................................................... 7 2.2.1 GAMBIT概述 .................................................................................................... 7 2.2.2 GAMBIT的主要特点 ........................................................................................ 7 2.3 自然对流换热数值模型 .............................................................................................. 8 2.4 物理模型介绍 .............................................................................................................. 9 2.5 本章小节 ...................................................................................................................... 9 第3章 数值计算方法介绍 .................................................................................................... 11 3.1 计算传热传质概述 .................................................................................................... 11 3.2 数值计算方法简介 .................................................................................................... 12 3.3 非均匀网格的划分 .................................................................................................... 13 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 14 第4章 计算结果及分析 ........................................................................................................ 15 4.1 计算结果的验证 ........................................................................................................ 15 4.2 流变指数的影响 ........................................................................................................ 15 4.2.1 流变指数对Y向速度的影响 ......................................................................... 15 4.2.2 流变指数对温度分布的影响 .......................................................................... 15 4.3 瑞利数的影响 ............................................................................................................ 17 4.3.1 瑞利数对Y向速度的影响 ............................................................................. 17