熱能與動力工程專業(yè)(論文）-預(yù)覽頁

　

【正文】 he four tubes. The third chapter of this paper analysis the flow and heat transfer characteristics of the Nlevel fractal treelike channels. And paring with parallel channels of cooling system, draw the following conclusions:(1) Under the premise of the same heat transfer area, the heat transfer performance of fractal treelike channels is not necessarily the best。 隨著硅微加工技術(shù)不斷成熟和進(jìn)步 , 使 微管道網(wǎng)絡(luò) 的加工 成為可能。這種設(shè)計方法可歸為仿生設(shè)計。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 圖 逆流換熱器 但是目前對于樹狀管路的冷卻系統(tǒng)性能還存在較大爭議 。 、 樹狀結(jié)構(gòu)簡介 大自然 中， 如樹木、河流、人體的血液循、肺等等都可以看成是物質(zhì)流動和能量傳遞的運(yùn)輸系統(tǒng)。如圖 和 所示 ： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3 圖 (a)動脈或者靜脈血管分叉網(wǎng)絡(luò)示意圖 ； (b)典型樹狀雙分叉網(wǎng)型 。 自然界中樹狀 系統(tǒng) 局部和整體 的幾何要素大都 呈統(tǒng)計 相似 ， 滿足分形特征 。 實(shí)際上，當(dāng)需要從空間中高 效率獲取或釋放能量或質(zhì)量時，又存在一定的材料限制（未填滿空間），都可考慮采納樹形設(shè)計。 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。 本文研究的主要內(nèi)容 分為兩大部分：第一部分， 二級 Y 型樹狀管路的優(yōu)化 及分析；第二部分， T 型管路與平行管路 的比較。 、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。從二維簡單的建模開始，慢慢的摸索總結(jié)，一直到三維模型的建立。并與拉格朗日乘數(shù)法的分析結(jié)果相比較。 計算機(jī)的 數(shù)值模擬具有成本低、時間短、省人力等優(yōu)點(diǎn)，便于優(yōu)化設(shè)計，能獲得完整的數(shù) 據(jù)，能模擬出實(shí)際運(yùn)行過程中多種所測數(shù)據(jù)狀態(tài)，對于設(shè)計、改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指 導(dǎo)作用，比試驗(yàn)研究更自由靈活，并還能對試驗(yàn)難以測量的量做出估計。 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。 。 （ 3） prePDF用于模擬 PDF 燃燒過程。就模塊構(gòu)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。有限體積法（ FVM）是建立在流體力學(xué)微分方程在控制體上積分得到的積分方程，關(guān)鍵是采用數(shù)學(xué)方法計算控制體表面的數(shù)值通量，得到迭代方程組。從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權(quán)剩余法中的子 區(qū)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。 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(qiáng)水頭之和為常數(shù)。 gvdlhf 22?? （ 27） 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 式中： ? 為沿程損失系數(shù) ，與流動狀態(tài)有關(guān)。 、 單管 流動狀況 的計算 驗(yàn)證 假設(shè)一根 cmLcmD 100,2 ?? 的圓管，管內(nèi)的流動介質(zhì)為水， 20℃的水的運(yùn)動粘度為 sm 26100 ???? ，水的密度 3310 mkg?? ，重力加速度 smg ? 。說明網(wǎng)格劃分的細(xì)密的確可以影響到最終的計算結(jié)果，但是不是最主要的因素。 層流狀態(tài)下 （采用層流模型） ： 導(dǎo)入 FLUENT 軟件，設(shè)置求解器模型，層流。 ???? ???? P PP?, 39。 39。 但是拉格朗日推導(dǎo)出的參數(shù)值是否 是 真實(shí)管路內(nèi)的 最佳參數(shù)呢？ Y 型樹狀管路的模型如下： 單根管道壓強(qiáng) /Pa 層流 湍流光滑區(qū) 經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果 7538 FLUNET 結(jié)果 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 15 θ θ A l 0 l 1 B C O 管腔體積約束條件： )2(4 121020 ldldV ?? ? （ 210） 占地面積約束條件： ?? s in2)c o s( 110 lllA ??? （ 211） 在總管腔體積和占地面積一定的約束條件下， 應(yīng)用拉格朗日乘子法 。 、 層流狀態(tài)下的 Y型管內(nèi)流動 建立模型： 在總的管腔比和總的占地面積 一定的條件下管徑比假設(shè)為定值： 管腔總體積一定： ?90?V 3mm ，總占地面積一定： ?S 2mm ， 3110 2?DD 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 18 在 不同的分岔角 下計算出管長 ； （ 1） 35?? 176。 （ 3） 40?? 176。 利用 GAMBIT 建立三維模型： 在建立 Y 型三維模型過程中， 由于對 FLUENT 軟件了解的不夠，曾用 UG建立了 Y 型的幾何模型，導(dǎo)成 .igs 文件，導(dǎo)入 GAMBIT。通過一系列的摸索，探討出了重新定義坐標(biāo)系，建立三維模型的方法，如下： （ 1） 建立 Y 型的中心線軸， （ 2） 在中心線軸的 分岔的末 端建立新的坐標(biāo)系，以新的坐標(biāo)軸 創(chuàng)建出兩分支管1D ，使其相交，取 交集。 （ 5） 將橢圓和圓形等分成 4 份，連接成面，再 由面連接成體。 （ 9） 導(dǎo) 出“ .msh”文件。 （ 4） 設(shè)置流體的物理屬性， 取 FLUENT 自帶的流體 —— 水。 （ 8） 顯示流體內(nèi)的流動狀況。 時，進(jìn)口壓強(qiáng) PaPi ? ， 出口壓強(qiáng) PaPo ?? ， PaPo ?? 。 時，進(jìn)口壓強(qiáng) PaPi ? ， 出口壓強(qiáng) PaPo ?? ， PaPo ?? 。出口壓力值可近似的認(rèn)為是： 2 )( 21 PPPo ?? （ 213） 所以各管路的壓力降為： oi PPP?? （ 214） 則各種分叉角下的壓力差為： 35176。時， paP 7 7 5 3 7 2 0 ?? 。 、 尋求最優(yōu)的分叉角 在拉格朗日乘子法中，它進(jìn)行對管路最佳特征比分析的時候，采用的是微分的方法，只考慮沿程損失的影響，而沒有考慮到管路內(nèi)的局部損失的影響。 分岔角越大，局部損失就越大 ，增加了泵功消耗。 一 、層流 假設(shè) mmL ? ， mmL ? ， mmD 20 ? 。 2 45176。 mmD ? 時， FLUENT 的計算結(jié)果： 壓力降： PaP 5 0 2 4 5 0 1 ?? 。 2 176。 （ 2） 當(dāng) mmD ? 時，分岔角分別為： 35176。、 176。 36?? 176。 時， FLUENT 計算結(jié)果： 壓力降： PaP 6 1 7 7 7 1 1 0 ?? 。 2 36176。 2 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 由此可以得出，在管徑比，管長比一定的條件下，流動狀態(tài)為層流時，分岔角約在 37176。、 28176。時， 以 176。 28?? 176。 29?? 176。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 由以上的結(jié)果可以得出： 在管內(nèi)的流動為湍流（光滑區(qū)）時，分岔角 ? 約在 28176。這是因?yàn)?拉格朗日乘子法下的優(yōu)化只考慮到了管內(nèi)的沿程損失，而忽略了管內(nèi)的局部損失，雖然局部損失的值不是很大，但是在真實(shí)的 Y 型管路中，依然存在。 40 2 176。 速度矢量圖： 圖 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 32 壓力分布： 圖 由壓力分布圖可知，在分岔處，出現(xiàn)了較高的壓力，拐角部分還出現(xiàn)了漩渦。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 34 第三章 樹狀 分形 結(jié)構(gòu)水力特性 及熱力特性分析 、 T 型樹狀管的換熱特性分析 本文主要參考了 Escher ]5[ 和 Ghodoossi ]12[ 的論文工作 。上下兩層之間用絕熱層隔離開，不考慮上下兩層之間的換熱影響。因此相鄰 級數(shù)的流道對流換熱系數(shù)之比為： 111 ??? ? iiiiii NuNuddhh （ 36） 圖 冷卻流動過程 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 36 在光滑管中，努塞爾特數(shù) Nu與表面粗糙度無關(guān)： Pr)(Re,fNu ? 而且大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，相鄰級別流道的努塞爾特數(shù)之比為一常數(shù)： ???1iiNuNu （ 37） 因而由式 （ 32） 與式 （ 37） 可得： ????1iihh 這樣： ???????? ??? 231201 hhhhhh 因而： ii hh )(0 ??? 對于 m級樹狀流道，其總的換熱率為： ?? ?? mi iiiF TAhQ 02 （ 38） Ai 為 i級數(shù)上流道總換熱面積。比較的前提是兩者的換熱面積相同。對于微通道中的流動換熱，其相似準(zhǔn)則關(guān)系已有大量的研究。這里表明了相鄰級別的努塞爾數(shù)值之比 ? ，在分形微通道和平行微通道內(nèi)傳熱的重要性。他研究了在管長相等的情況下的傳熱特性，他認(rèn)為，在微通道總管長相等的條件下，如果 1?? ，平行通道傳熱性能將優(yōu)越于分形樹狀通道；反之，如果 1?? ，則分形樹狀的傳熱性能更好些。 總的泵水能力等于單個管道中的流量 0Q ，單根管路壓力降 1,P? 和管路總的數(shù)目n的乘積，即： nPQP PP ???? 1,0 （ 340） 平行通道內(nèi)的傳熱量為： TnLDhQ p ?? )2( 000? (341) 因?yàn)閭鳠崃?FP ? ,且傳熱系數(shù) 0h 都相同結(jié)合式（ 329）整理可得： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 45 ????NNnm????1 )(11 （ 342） 將上式代入式（ 340）得： ?????????NNPVDNNPQPmmPP??????????1)(1211)(11002011,0 （ 343） 式（ 338）與式（ 343）之比： 152152)(1 1)(1 )(1 ??????? ????? mmPF N NNNPP ??????? ??? （ 344） 、 管內(nèi)的流動是層流 管內(nèi)的流動為層流時，由式（ 318）可知層流狀態(tài)下相鄰級別的流道內(nèi)的努塞爾數(shù)之比： ?? ?iiNuNu? 代入式（ 344）中： （ 1） ?? 時， 分形樹狀微通道與平行微通道壓力降的比值為： 11152152152152)(1)(1)(1)(11)(1)(1????????????????????????????????????????mmmmmmPFNNNNPP?????????? 當(dāng) m取 5 時， 1515 ????? ??PFPP , 當(dāng) m取 6 時， 1616 ????? ??PFPP 。 、 管內(nèi)的流動是湍流 （ 20200Re2020 ?? ） 管內(nèi)的流動為湍流（ 20200Re2020 ?? ）時，由（ 321）可知湍流狀態(tài)下相鄰級別的努塞爾數(shù)值之比： ?? ?iiNuNu? 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 47 代回（ 344）中： （ 1） ?? 時， 整理可得： 11 ?????? mmPFPP 當(dāng) m=5 時， ?PFPP ，當(dāng) m=6 時， ?PFPP 。 、 管內(nèi)流動是湍流（ 20200Re6000 ?? ） 管內(nèi)的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ）時，由式（ 324）可知該湍流狀態(tài)下的相鄰級別的努塞爾數(shù)的比值為： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 48 ?? ?i iNuNu?