熱能與動力工程專業(論文）-文庫吧

【正文】 制（未填滿空間），都可考慮采納樹形設計。 因此 ，樹形結構還被應用于肋片的設計、燃料電池內部流道的布置等問題中。早在上世紀八十年代初， Snider[7] 和 Hamburgen[8]研究了不同形狀翅片的強化冷卻效果，指出其最佳構造應是類似于自然界中的“樹”；Plawsky[9]則根據分形幾何原理認為樹狀肋片應當滿足自相似特征，并分析了整體肋效率； 夏再忠 [10]應用變分法對樹狀翅片的優化問題進行了探討，認為對于高導熱翅片應呈現“細而長”的高樹，而對于低導熱的翅片則應選擇 “短而粗”的矮樹。 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 4 、 本文 研究的 主要 內 容和目標 在 張偉琳 ]11[ 的論文中，主要是拉格朗日乘子法和經驗公式，研究了 Y 形樹狀管路的水頭損失特性，但其中 只考慮了沿程損失的影響，并沒有分析 Y 型樹狀管路中的局部損失。 而本文中所研究的將既考慮到管路流動中的沿程損失，也考慮到局部損失。主要是通過 FLUENT 軟件來模擬管路中的流動換熱。 本文是在閱讀大量的有關分形樹狀管路的文獻資料的基礎上，總結了經典拉格朗日乘子法 。并在此推論基礎上，取不同的幾何參數值，建立不同的幾何模型。 本文研究的主要內容 分為兩大部分：第一部分， 二級 Y 型樹狀管路的優化 及分析；第二部分， T 型管路與平行管路 的比較。 Y 型管路的優化分析，其目的在于尋找出管路的最佳參數； T 型管和平行管路的比較，其目的在于了解 T 型管路中的流動換熱狀況。本研究主要是借助 FLUENT 軟件應用，建立幾何網格模型，并通過 FLUENT 導入，計算，分析研究各種狀態下的結果。得出樹狀管路的流動換熱特性。 、本文的主要工作 本文主要研究了分型樹狀管路中，流動換熱特性。主要研究方法是通過 應用GAMBIT 建模， FLUENT 導入，進行研究管內流體的 流動換熱。研究過程中，建模時關鍵，作者通過建立大量的模型，用分析比較的方法，探討樹狀管路內的流動換熱。 作者在建模的過程中不斷地發現問題，并尋求解決方法。從二維簡單的建模開始，慢慢的摸索總結，一直到三維模型的建立。在不斷的建模分析對比中， 使 作者對FLUENT 軟件有了初步的了解 ，也為以后 FLUENT 軟件的應用打下了基礎。 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 5 第二章 樹狀管路的 流動 特性 模擬 本章對二級 Y型管路，應用拉格朗日乘子法，在管腔總體積和總占地面積一定的條件下，推導出最優的管徑比和最優的管長比及最優分岔角。然后通過 FLUENT 軟件 的應用，模擬不同流動狀況下的流體流動情況，在既考慮到沿程損失又考慮到局部損失的基礎上，得出最優的管徑比，官長比，以及最優的分岔角。并與拉格朗日乘數法的分析結果相比較。 、 FLUENT軟件簡介 隨著計算機技術不斷地發展和進步，計算流體動力學（ CFD）逐漸在流體力學的研究領域嶄露頭角。成為繼理論流體力學和實驗流體力學之后又一種重要的研究手段。一些在地面無法進行實驗而理論又無法解決的流體力學的問題，只能依靠計算流體力學方法來解決 。 計算機的 數值模擬具有成本低、時間短、省人力等優點，便于優化設計，能獲得完整的數 據，能模擬出實際運行過程中多種所測數據狀態，對于設計、改造等商業或實驗室應用起到重要的指 導作用，比試驗研究更自由靈活，并還能對試驗難以測量的量做出估計。 數值模擬由于其優越性，得到了越來越廣泛的應用。鑒于此，國內外開發出了大量的商業數值模擬軟件， FLUENT 軟件就是其中比較著名的一種。目前利用商業軟件進行計算已是科學研究中的一項重要手段 。 FLUENT 軟件是由美國 FLUENT 1983 年推出，是繼 PHOENICS 軟件之后的第二個投放市場的基于有限容積法的軟件。 FLUENT 軟件在工業界和教育系統中，有 較高的市場占有率。該軟件在航空 航天、 汽車設計、石油天然氣、渦輪機設計的方面都有著廣泛的應用，其在石油天然氣工業上的應用包括燃燒、井下分析、噴射控制、環境分析、汽油消散 /聚積、多相流、管道流動等。 FLUENT 的軟件設計基于 CFD 軟件群的思想，從用戶需求的角度出發，針對各種復雜 流動的物理現象， FLUENT軟件采用不同的離散格式和數值方法，以期在待定的領域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳的組合，從而高效地解決各個領域的復雜流動計算問題。 。 FLUENT 是一個用于模擬和分析復雜幾何區域內的流動與傳熱現象的專 用軟件。FLUENT 軟件包中包括以下幾個軟件： （ 1） GAMBIT用于建立幾何結構和網格的生成。 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 6 （ 2） FLUENT用于進行流動模擬計算的求解器。 （ 3） prePDF用于模擬 PDF 燃燒過程。 （ 4） TGrid用于從現有的邊界網格生成體網格。 （ 5） Filters（ Translators） 轉換其他程序生成的網格，用于 FLUENT 計算。 可以接口的程序包括 :ANSYS, IDEAS, NASTRAN, PATRAN 等。就模塊構成而言， FLUENT 軟件分為三部分 :前處理模塊、解算模塊和后處理模塊。 FLUENT 軟件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及混合網格計算二維和三維流動問題，在計算過程中，網格可以自適應調整。 利用 FLUENT 軟件進行流體流動與傳熱的模擬計算流程是： （ 1） 利用 GANBIT 進行流動區域幾何形狀的構建、邊界類型以及網格的生成，并輸出用于 FLUENT 求解器計算的格式 .msh 文件； （ 2） 利用 FLUENT 求解器對流動區域進行 定義 求解計算，并進行計算結果的后處理。 FLUENT 離散化求解方程組的方法為有限體積法 FVM (Finite Volume Method)，又稱為控制體積法。有限體積法（ FVM）是建立在流體力學微分方程在控制體上積分得到的積分方程，關鍵是采用數學方法計算控制體表面的數值通量，得到迭代方程組。其基本思路是 :將計算區域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積，將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數是網格點上的因變量的數值。為了求出控制體積的積分，必須假定計算值在網格點之間的變化規律，即假設值的分段的分布剖面。從積分區域的選取方法看來，有限體積法屬于加權剩余法中的子 區域法，從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。 、 管內流動的一些基本概念 在重力作用下的不可壓縮理想流體的一維定常流動，由于沒有損失，流體的溫度和熱力學能不變；如果選取微元流管作為控制體，對微元面積積分便是被積函數本身，即： ?? 1121222222 pgzvpgzv ????? （ 21） 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 7 或 ????pgzv22 常數 （ 22） 這就是在不可壓縮理想流體一維定常絕能流動的能量方程，是由伯努利 1738 年提出的，稱為伯努利方程。對式（ 22）兩邊同時除以重力加速度 g，可得單位重量流體的伯努利方程為： Hgpzgv ??? ?2 2 ( 23 ) 式中： gv22 稱為速度水頭， H 為常數。伯努利方程的物理意義是：沿同一微元流束或流線，單位重力流體的動能、位勢能、壓強勢能之和為常數。 幾何意 義是：沿同一微元流束或流線，單位重力流體的速度水頭、位置水頭、壓強水頭之和為常數。 以上是理想狀態下的伯努利方程。但是在實際管道里的流動，會有損失局部或沿程損失，考慮損失的 能量 方程為： fhgpzgvgpzgv ?????? ?? 2222112122 （ 24） 式中：fh的意義是流體流過管路中，有用能量的損失，即水頭損失。 當管路處于水平 與管徑不變 時， 上式 可以簡化為： fhgpgp ?? ?? 21 （ 25） 管子兩端的壓力差： fghppp ????? 21 （ 26） 粘性流體在通道中流動時的能量損失有兩大類： （ 1）沿程能量損失 —— 發生在緩變流整個流程中的能量損失， 它 是由流體的粘 性 造成的損失。 gvdlhf 22?? （ 27） 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 8 式中： ? 為沿程損失系數 ，與流動狀態有關。 （ 2）局部能量損失 —— 發生在流動狀態急劇變化的急變流中的能量損失，主要是由管徑的變化引起的流體速度分布的急劇變化、微團的碰撞、漩渦造成的損失。 gvhj 22?? （ 28） 式中： ? 為局部損失系數。 整體的流體在通道中的總能量損失為： jfw hhh ???? （ 29） 相比較而言， Y 型樹狀管路的局部損失比 T 型樹狀管路的局部損失小 ， 但由于 T型管路的加工比較方便，因此 T 型樹狀網路的冷卻器應用比較廣泛。 、 單管 流動狀況 的計算 驗證 假設一根 cmLcmD 100,2 ?? 的圓管，管內的流動介質為水， 20℃的水的運動粘度為 sm 26100 ???? ，水的密度 3310 mkg?? ，重力加速度 smg ? 。 層流 狀態： 進口的速度 取： V= sm ，由 雷諾數計算公式?VD?Re得： 6 2 ????? ? ? 雷諾數 ： 2020Re0 ?? ，說明管內的流動是層流。 層流 沿程損失系數 ： 64Re64 ???? 由 章節可知： 沿程損失： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 9 mgVDLh42222????????? ? 進出口兩端的理論壓強降 : aPhgP 22 00 4? ??????? ?? 湍流狀 態： 進口的速度取： V=4 sm ，由雷諾數的計算公式?VD?Re得： 462 1024Re ?????? ?? 雷諾數： 3104? ??Re 510 ,符合湍流光滑管區， 由 波拉休斯的計算 公式可知： 湍流狀態下的沿程損失系數： 0 1 8 )109 4 (3 1 6 Re3 1 6 ????? 沿程損失： mgVDLh7 6 9 2 42222??????? ? 管的進出口壓力降為： aPhgP 7538 ? ?????? ? FLUENT 軟件下的單根管路的流動 ： 在建模的初期，本人建立了 大量 的三維管道，通過對管道進行網格劃分并進行FLUENT 導入計算，發現其值總是與理論上計算出來的值相差很多。后來進過本人的不斷的對網格劃分的密度的提高，發現其值不斷向理論值靠近，但是仍然存在著很大差值。說明網格劃分的細密的確可以影響到最終的計算結果，但是不是最主要的因素。同時本人在研究 FLUENT 計算的時候還發現，迭代必須得收斂以后才可以得出最后江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 10 的數值結論；如果迭代 中途停止，其結果也將偏差很大。 通過大量的三維模型計算失敗以后，開始著手于考慮用二維的模型，通過中心軸旋轉，以解決三維的單管問題。其建模方法如下： 利用 GAMBIT 建模： 取點連線，再由線連成面，接著劃分網格，其網格劃分 如 下： 圖 網格劃分 邊界條件設置： 速度進口“ velocityinlet”，流動出口“ outflow”，中心線設為軸線“ Axis”，上邊界設為“ wall” 。 層流狀態下 （采用層流模型） ： 導入 FLUENT 軟件，設置求解器模型，層流。進出口類型， 圖 迭代 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 11 圖 層流 速度分布 圖 層流 速度矢量 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 12 圖 層流 壓力分布 層流狀態下的 ： 最大壓力 PaPMAX ? ， 最小壓力 PaPMIN ?? ， 壓力差 PaPPP M INM A X ???? 。 偏差 39。 39。 ???? ???? P PP?, 39。P? 為理論值。 湍流狀態下 （采用 ??k 模型，水力直徑為 ） ： 圖 湍流 速度分布 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 13 圖 湍流 速度矢量 圖 湍流壓力分布 江蘇科技大學本科畢業