熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)(論文-wenkub

　

【正文】 等的前提下樹(shù)狀分形管路的泵功消耗低于平行通道冷卻系統(tǒng)。對(duì)于二級(jí) Y 型管路， 首先 應(yīng)用 拉格朗日乘子法分析 了 不同流動(dòng)狀態(tài)下 的最優(yōu) 幾何參數(shù)。江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) I 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 學(xué) 院 船舶與海洋 工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 熱能與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè) 學(xué)生姓名 朱春雷 班級(jí)學(xué)號(hào) 0640202039 指導(dǎo)教師 張東輝 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) II 二零壹零 年六月 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文 樹(shù)狀管路中流動(dòng)換熱特性分析 Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in Fractal TreeLike Structure 摘 要 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) III 樹(shù)狀分形結(jié)構(gòu)是自然界中一種 非常 普遍的結(jié)構(gòu)， 具有很多的特有的運(yùn)輸特性。然后通過(guò) FLUENT 軟件，建立 Y 型管路 的三維 網(wǎng)格 模型 ， 并尋 找出 考慮局部損失時(shí)的 最優(yōu) 幾何 參數(shù)。 本文為流體樹(shù)狀管路的優(yōu)化和設(shè)計(jì)提供了有益的參考。傳統(tǒng)的空 氣冷卻方式（風(fēng)扇等）難以處理如此高的熱流密度， 因此研究 更有效的微型散熱器變得非常重要 ，它 在性能方面主要有三個(gè)方面的要求 ： (1) 流動(dòng)阻力損失 小，這樣泵功消耗就小； (2) 冷卻換熱速率高； (3) 溫度分布均勻性 好。 有些學(xué)者受生物肺很高的傳熱面積密度啟發(fā)，設(shè)計(jì)了樹(shù)狀結(jié)構(gòu)換熱器。 陳平 等 [4 ]對(duì) 根據(jù)矩形電子芯片的要求，設(shè)計(jì) T 形 樹(shù)狀通道結(jié)構(gòu) 的冷卻 系統(tǒng) ，發(fā)現(xiàn) 其 在降低泵功方面有著巨大的潛力。 為設(shè)計(jì)性能更好的冷卻系統(tǒng)做初步的準(zhǔn)備 。 常見(jiàn)的樹(shù)狀分叉網(wǎng)絡(luò)有植物軀干網(wǎng)絡(luò)、葉片的脈絡(luò)網(wǎng)絡(luò)、生物組織的血管系統(tǒng)、支氣管樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、河流盆地和 閃電、裂縫網(wǎng)絡(luò)、地下油藏的多孔滲流網(wǎng)絡(luò)等等。它通過(guò)枝葉、樹(shù)干、根部的分布來(lái)盡可能的完善自己的生長(zhǎng)。 而對(duì)于毛細(xì)血管，略有 不同 ，逐級(jí)管徑比大約為 ；對(duì)于我們周?chē)?樹(shù)木，其逐級(jí)管徑比 則為 左右。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 、 本文 研究的 主要 內(nèi) 容和目標(biāo) 在 張偉琳 ]11[ 的論文中，主要是拉格朗日乘子法和經(jīng)驗(yàn)公式，研究了 Y 形樹(shù)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(méi)有分析 Y 型樹(shù)狀管路中的局部損失。并在此推論基礎(chǔ)上，取不同的幾何參數(shù)值，建立不同的幾何模型。得出樹(shù)狀管路的流動(dòng)換熱特性。 作者在建模的過(guò)程中不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并尋求解決方法。然后通過(guò) FLUENT 軟件 的應(yīng)用，模擬不同流動(dòng)狀況下的流體流動(dòng)情況，在既考慮到沿程損失又考慮到局部損失的基礎(chǔ)上，得出最優(yōu)的管徑比，官長(zhǎng)比，以及最優(yōu)的分岔角。一些在地面無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)而理論又無(wú)法解決的流體力學(xué)的問(wèn)題，只能依靠計(jì)算流體力學(xué)方法來(lái)解決 。目前利用商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算已是科學(xué)研究中的一項(xiàng)重要手段 。 FLUENT 的軟件設(shè)計(jì)基于 CFD 軟件群的思想，從用戶(hù)需求的角度出發(fā)，針對(duì)各種復(fù)雜 流動(dòng)的物理現(xiàn)象， FLUENT軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在待定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳的組合，從而高效地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 （ 2） FLUENT用于進(jìn)行流動(dòng)模擬計(jì)算的求解器。 可以接口的程序包括 :ANSYS, IDEAS, NASTRAN, PATRAN 等。 FLUENT 離散化求解方程組的方法為有限體積法 FVM (Finite Volume Method)，又稱(chēng)為控制體積法。為了求出控制體積的積分，必須假定計(jì)算值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值的分段的分布剖面。伯努利方程的物理意義是：沿同一微元流束或流線(xiàn)，單位重力流體的動(dòng)能、位勢(shì)能、壓強(qiáng)勢(shì)能之和為常數(shù)。 當(dāng)管路處于水平 與管徑不變 時(shí)， 上式 可以簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)的能量損失有兩大類(lèi)： （ 1）沿程能量損失 —— 發(fā)生在緩變流整個(gè)流程中的能量損失， 它 是由流體的粘 性 造成的損失。 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(shù)狀管路的局部損失比 T 型樹(shù)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(shù)狀網(wǎng)路的冷卻器應(yīng)用比較廣泛。后來(lái)進(jìn)過(guò)本人的不斷的對(duì)網(wǎng)格劃分的密度的提高，發(fā)現(xiàn)其值不斷向理論值靠近，但是仍然存在著很大差值。其建模方法如下： 利用 GAMBIT 建模： 取點(diǎn)連線(xiàn)，再由線(xiàn)連成面，接著劃分網(wǎng)格，其網(wǎng)格劃分 如 下： 圖 網(wǎng)格劃分 邊界條件設(shè)置： 速度進(jìn)口“ velocityinlet”，流動(dòng)出口“ outflow”，中心線(xiàn)設(shè)為軸線(xiàn)“ Axis”，上邊界設(shè)為“ wall” 。 39。 ?? ???? 39。 、 二級(jí) Y型管路的幾何要素優(yōu)化 在本章節(jié)中，本人首先通過(guò)拉格朗日乘子法和水頭的經(jīng)驗(yàn)公式，分析了在總管腔體積和總占地面積一定條件下的層流和湍流光滑區(qū)的最佳參數(shù)值。 、 Y型樹(shù)狀管路的 FLUENT 模擬優(yōu)化 由于拉格朗日乘子法沒(méi)辦法考慮到管內(nèi)的 局部損失，所以在上述的理論最優(yōu)參數(shù)附近建立了不同的參數(shù)模型，對(duì)拉格朗日最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。 時(shí)，計(jì)算可得： mmLmmL , 10 ?? ， 10 ?LL 。 時(shí)，計(jì)算得： mmLmmL , 10 ?? ， 10 ?LL 。但是此方法建模也非常復(fù)雜，取點(diǎn)的量很大，也不利于快速建模，且網(wǎng)格劃分也存在著不對(duì)稱(chēng)。 （ 4） 在 0 級(jí)支管的首端建立另一坐標(biāo)系，建立 0D 管徑的圓柱 ,斷面為圓形。 （ 8） 定義邊界條件。 （ 3） 建立求解模型，這里定義為層流。 （ 7） 求解，迭代，直至收斂為止。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 22 （ 2） ?? 176。 （ 4） 45?? 176。所以與實(shí)際中的完全對(duì)稱(chēng)相等有點(diǎn)區(qū)別，但是影響不大。時(shí)， paP 5 5 5 6 6 1 1 ?? ； 45176。附近出現(xiàn)較小的壓力差值 ，與拉格朗日計(jì)算得結(jié)果有出入 ，這是因?yàn)榉植斫谴娓浇芯植繐p失 。這里的泵功消耗最低即：進(jìn)出口壓力降 P? 最低。下面將進(jìn)行驗(yàn)證該觀點(diǎn)。 2 40176。 三種情況下的壓力分布圖為： mmD ? 圖 mmD ? 圖 mmD ? 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 圖 mmD ? 時(shí)， FLUENT 的計(jì)算結(jié)果： 壓力降 ： PaP 7 9 1 7 4 7 8 ?? mmD ? 時(shí)， FLUENT 的計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP 0 2 8 8 1 0 5 ?? 。 2 176。比較發(fā)現(xiàn)在 1D 在略大于拉格朗日推導(dǎo)出來(lái)的值時(shí)，壓力差出現(xiàn)最小值，即泵功消耗最小。37176。 時(shí)， FLUENT 計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP 7 5 4 8 7 8 5 ?? 。 37?? 176。 模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 35176。 2 176。 假設(shè) mmLmmLmmDmmD ,40,2 1010 ???? ， ? 分別取 27176。、 30176。 時(shí)， FLUENT 計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP ?? 。 時(shí)， FLUENT 計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP ?? 。 時(shí)， FLUENT 計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP ?? 。 綜上，可以得出，在一定的約束條件下，為了得到最小的泵功消耗，真實(shí)的 Y型管路內(nèi)管徑比 10 DD 小于拉格朗日優(yōu)化法下的值，而分岔角 ? 也將小于拉格朗日優(yōu)化法下的值。 40 2 28176。 40 2 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 （ a） 三級(jí)速度 分布 （ b） 四級(jí)速度 分布 （ c） 三級(jí)壓力分布 （ d） 四級(jí)壓力分布 （ e） 三級(jí)中心線(xiàn)壓力分布 （ f） 四級(jí)中心線(xiàn)壓力分布 圖 （ a） —（ f） 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 、 FLUENT 建模分析四級(jí) T 型樹(shù)狀管路內(nèi)的流動(dòng)特性 速度分布： 圖 由圖可見(jiàn)，在每一級(jí)的分岔的地方，速度變化較急，速度由中心線(xiàn)向兩邊逐漸減小。 T 型樹(shù)狀管路局部損失較為嚴(yán)重 。初始的流入口和出口在相反的 方向上，以保持冷卻液在層板中循環(huán)流動(dòng)，確保冷卻統(tǒng)一冷卻。 這樣可由上式算得： 311???????? 而由式 (31)與式 （ 32） 可得： ii LL ?0? （ 34） ii DD ?0? （ 35） 各流道內(nèi)的努塞爾特?cái)?shù) Nu 與對(duì)流換熱系數(shù)之間的關(guān)系是： ?iii dhNu? 這里可認(rèn)為流道內(nèi)冷媒流體的導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。 而對(duì)于平行微通道，總換熱率為： TAhQ PP ???? 0 （ 311） 圖 平行微通道 下面對(duì)平行微通道熱沉和分形微通道熱沉的性能進(jìn)行比較。 各級(jí)努塞爾特?cái)?shù)之比 ? ，則與微通道中的流動(dòng)換熱有關(guān)。 、 微通道內(nèi)的流動(dòng)為層流 定管內(nèi)流動(dòng)是層流流動(dòng)，采用 式 （ 315） 估算： 1111)()ReRe(??????????iiiiiiiiDVDVNuNu （ 318） 由質(zhì)量流量關(guān)系： 121 ?? ii mm ?? (319) 而且： 2111244??? ??iiiiiiDVmDVm?????? 可得： 2211 2 1)(21 ??? ?? iii i DDVV （ 320） 代入式（ 318）中： )1()21()21()(2111????????????????iiiiiiDVDVNuNu 代回式（ 314）中： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 40 )(1)(12121)2(1)2(1???????????????mmmmPF???????? 取分形微通道熱沉為 5 級(jí)，即 m=5： )(1)(155???????????????PF 、 微通道內(nèi)的流動(dòng)為湍流（ 20200Re2020 ?? ） 定管內(nèi)的 流動(dòng)為湍流流動(dòng)，采用式（ 316）估算： 1111)()ReRe(??????????iiiiiiiiDVDVNuNu （ 321） 由質(zhì)量流量的關(guān)系： 121 ?? ii mm ?? （ 322） 而且： 2111244??? ??iiiiiiDVmDVm?????? 可得： 2211 2 1)(21 ??? ?? iii i DDVV （ 323）