圆管自然对流计算和模拟.docx

1、圆管自然对流计算和模拟水平管和竖直管自然对流计算汇总1.计算工况表计算结果温度工况 温度工况100150200250300传热系数W m2h水平管7.9589.11510.04510.80311.527K竖直管4.7155.3695.8996.3356.754换热量水平管75.962141.388215.734296.472385.128W竖直管45.00883.390126.703173.860225.649最大速度umax水平管0.4760.5370.5850.6970.736m/s竖直管0.8401.0501.1801.2901.3902.变化曲线图换热量（W）UIoUiOOOooOOO

2、0d15c MOod 250r5300 C 餐(OC)以大速皮(ms)boIlS-J- Jl -T- H Iooe 150dMOOd 250dwoodNraBa(n)圆管自然对流的计算和数值模拟已知条件如图 1 所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自 然对流换热，圆管外径 D 38mm ，长度L 1000mm，空气温度T 20 C，恒壁温条件Tw 100,150,200,250,300 C ，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换 热时的空气最大速度。图1一、数值计算1.自然对流换热系数和换热量的计算1） 圆管水平放置计算以壁温 Tw 100为例，计算过程如下：特征长度： D 0

3、.038m ；定性温度 tm tw t 2 100 20 2 60 C ；查空气物性： 0.029W m K ； =20.1 10-6 m2 s； Pr 0.696空气的体积膨胀系数： v 1 tm 273 1 60 273 1 333K 1格拉晓夫数 Gr ：g v tw t D3 9.8 1/ 333 100 20 0.0383 5Gr 2 = 6 2 3.2 10 2 ( 20.1 10 6)2大空间自然对流的实验关联式为：n Nu C Gr Pr n （ 1-1）根据计算的格拉晓夫数 Gr 选择合适的常数 C和n（表 1）：表 1 式（ 1-1）中的常数 C和n加热表面形流动情况示流态

4、系数 C 和指数 nGr 数适用范围状与位置意图Cn层流0.481/44810 5.76 10横圆管过渡流0.04450.375.76 1084.65 109湍流0.101/34.65109由式（ 1-1）和表 1 可得：1/4Nu 0.48 Gr Pr5 1/4=0.48 3.2 105 0.696 =10.428Nu hD故水平圆管换热量：0.029 10.43 28 7.958W m2 K38 10 3=hA tw t 7.958 3.14 0.038 1 100 20 75.962W按照以上相同的步骤， 在给定恒壁温 100,150,200,250,300的情况下，可以计算出相应的自然

5、对流的换热系数和换热量，计算结果列于表 2 中：表 2 水平管计算工况表温度工况150200250300计算参数100h ,W m2 K7.9589.11510.04510.80311.527,W75.962141.388215.734296.472385.1282） 圆管垂直放置计算 以壁温 Tw 100为例，计算过程如下： 特征长度： H 1m定性温度 tm tw t 2 100 20 2 60 C ；查空气物性： 0.029W m K ； =20.1 10-6 m2 s； Pr 0.696 空气的体积膨胀系数： v 1 tm 273 1 60 273 1 333K 1格拉晓夫数 Gr ：

6、Gr g v tw 2 t L3 =9.8 1/333 1006 220 13 5.83 109 2 (20.1 10 6 )2对于竖圆柱按照竖壁同用一个关联式必须满足：d 35H GrH1/4经验算，并不满足情况，应该按照文献【杨世铭 . 细长竖圆柱外及竖圆管内 自然对流传热】中的关联式进行计算。表 3 竖圆柱自然对流关联式加热表面流动情况形状与位关联式适用条件示意图0.79Nu / Ra1/4 0.85 Ra1/4 DH1/4 D0.0006Ra1/4 0.1H竖圆管Nu/Ra1/4 0.59 0.52 Ra1/4 HD1/4 D0.1Ra1/4 32H由表 1 可得：先计算 Ra1/4

7、D = Gr Pr 1/4 D 5.83 109 0.696HH1/4 0.038 9.5911/4 HD Ra1/40.59+0.52 9.59 -1 5.83 109Nu 0.59 0.52 Ra1/40.696=162.594Nuh0.029 162.59414.715W m2故水平圆管换热量：=hA tw t 4.715 3.14 0.038 1 100 20 45.008W按照以上相同的步骤， 在给定恒壁温 100,150,200,250,300的情况下，可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量，计算结果列于表 2 中：,W45.008 83.390126.703 173.860

8、225.6492.水平管( H )和竖直管( V )自然对流换热系数和换热量的对比图形图 2 换热系数图 3 换热量3.计算结果分析由图 2 和图 3 可知：1)水平放置的圆管自然对流的换热系数和换热量都明显高于竖直放置的圆 管；2)随着温度的增加，两者换热系数和换热量都逐渐呈线性增长；3)水平圆管自然对流换热系数相对增加较多。二、数值模拟1. 水平圆管的数值模拟1) 物理模型如图 4 所示，本文采用的物理模型为大空间自然对流， 外边界设置为压力出 口边界，与大气相通，内边界为高温管道壁面，圆管直径按照实际尺寸设计。用ICEM-CED建立的模型长为 380mm，宽为 380mm，圆管直径 38

9、mm，位于中心位20空气图42） 网格划分本次模拟的网格为结构化网格， ICEM 网格划分需要对物理模型进行分块处 理（ block），块的划分采用 O-block，Oblock 易于对内边界做网格加密处理， 块的划分和网格的生成如图 5 和图 6 所示。图54)网格质量和网格无关性验证经网格无关性验证后，网格质量符合要求，网格划分合理。5)计算结果与分析自然对流是由于空气温度差引起的密度差， 从而产生浮升力推动空气运动的 现象，实质属于可压缩流动。在 Fluent 中气体模型采用 Boussinesq 可以得到比 较好的模拟结果。 Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时间的函数，

10、而能 量方程中的密度视为常量。 在 Fluent 中设置好参数和边界条件后， 计算结果如下：壁温 100模拟结果图 7 温度云图图 8 压力云图图 10 旋涡图 9 速度云图最大速度可在云图中直接读出： 0.476m/s壁温 150模拟结果图 11 温度云图图 12 压力云图图 13 速度云图图 14 旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.537m/s图 15 温度云图图 17 速度云图图 16 压力云图图 18 旋涡最大速度可在速度云图中直接读出：0.585m/s壁温 200模拟结果壁温 250模拟结果图 19 温度云图图 20 压力云图图 22 旋涡图 21 速度云图最大速度可在云图中直接读

11、出： 0.697m/s壁温 300模拟结果图 23 温度云图图 24 压力云图图 25 速度云图 图 26 旋涡最大速度可在云图中直接读出： 0.736m/s 速度随着温度变化的汇总表：表 5 水平管最大速度计算工况表度工况计算参数100150200250300umax ,m/s0.4760.5370.5850.6970.736结论分析：1)自然对流换热强弱取决于高温壁面温度与周围流体温度差的大小，温差 越大，换热发展越迅速，流动越强烈；2)随着壁面温度的增加，最大空气流速也在随之增加；3)在温差的驱动下形成上升流，并在压差作用下上升流两侧形成漩涡。2. 竖直圆管的数值模拟1) 物理模型如图

12、4 所示，本文采用的物理模型为大空间自然对流， 由于物理模型左右对 称，故只需模拟其中的一侧即可， 同样外边界设置为压力出口边界， 与大气相通， 内边界为高温管道壁面，圆管直径按照实际尺寸设计。用 ICEM-CED建立的模型 长为 2000mm，宽为 570mm，圆管直径 38mm，位于中心位置。绝热绝热2） 本次模拟的网格为结构化网格， ICEM 网格划分需要对物理模型进行分块处 理（block），内边界的网格加密处理，块的划分和网格的生成如图 28 和图 29所图 28示。网格加密图 296)网格质量和网格无关性验证 经网格无关性验证后，网格质量符合要求，网格划分合理。7)计算结果与分析自

13、然对流是由于空气温度差引起的密度差， 从而产生浮升力推动空气运动的 现象，实质属于可压缩流动。在 Fluent 中气体模型采用 Boussinesq 可以得到比 较好的模拟结果。 Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时间的函数，而能 量方程中的密度视为常量。 在 Fluent 中设置好参数和边界条件后， 计算结果如下：壁温 100模拟结果图 30 温度云图图 31 压力云图图 32 速度云图图 33 旋涡最大速度可在云图中直接读出： 0.831m/s壁温 150模拟结果图 34 温度云图图 35 压力云图图 36 速度云图最大速度可在云图中直接读出：壁温 200模拟结果1.05m/

14、s图 37 旋涡图 38 温度云图图 40 速度云图图 39 压力云图图 41 旋涡最大速度可在速度云图中直接读出：1.18m/s壁温 250模拟结果图 42 温度云图图 44 速度云图图 43 压力云图图 45 旋涡最大速度可在云图中直接读出： 1.29m/s壁温 300模拟结果图 46 温度云图图 47 压力云图图 48 速度云图 图 49 旋涡 最大速度可在云图中直接读出： 1.39m/s 速度随着温度变化的汇总表：表 6 竖直管最大速度计算工况表温度工况计算参数100150200250300umax ,m/s0.841.051.181.291.39结论分析：1) 自然对流换热强弱取决于

15、高温壁面温度与周围流体温度差的大小，温差 越大，换热发展越迅速，流动越强烈；2) 随着壁面温度的增加，最大空气流速也在随之增加；3)在温差的驱动下形成上升流，并在压差作用下上升流两侧形成漩涡。3.水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度对比1) 现将模拟的最大速度汇总，如表格 7：表 7 最大速度对比表格温度工况计算参数100150200250300水平管umax ,m/s0.4760.5370.5850.6970.736垂直管umax ,m/s0.841.051.181.291.392) 水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度曲线图，如图 50：图 50结论：竖直管的自然对流最大速度明显高于水平管自然对流的最大的速度；随着温度的增加， 两者的最大速度都逐渐呈线性增加， 且增加的幅 度越来越小；