熱能與動力工程專業(論文-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 在網格點之間的變化規律，即假設值的分段的分布剖面。 可以接口的程序包括 :ANSYS, IDEAS, NASTRAN, PATRAN 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。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 。 作者在建模的過程中不斷地發現問題，并尋求解決方法。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。 而對于毛細血管，略有 不同 ，逐級管徑比大約為 ；對于我們周圍的 樹木，其逐級管徑比 則為 左右。 常見的樹狀分叉網絡有植物軀干網絡、葉片的脈絡網絡、生物組織的血管系統、支氣管樹、神經網絡、河流盆地和 閃電、裂縫網絡、地下油藏的多孔滲流網絡等等。 陳平 等 [4 ]對 根據矩形電子芯片的要求，設計 T 形 樹狀通道結構 的冷卻 系統 ，發現 其 在降低泵功方面有著巨大的潛力。傳統的空 氣冷卻方式（風扇等）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方面的要求 ： (1) 流動阻力損失 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。然后通過 FLUENT 軟件，建立 Y 型管路 的三維 網格 模型 ， 并尋 找出 考慮局部損失時的 最優 幾何 參數。對于二級 Y 型管路， 首先 應用 拉格朗日乘子法分析 了 不同流動狀態下 的最優 幾何參數。 下一代電子芯片的散熱熱流密度將會超過 1000W∕cm2 的數量級。 樹狀結構參數（逐級管徑比、管長比和分岔角）均為優化所得。并且分形樹狀結構廣泛的存在于生命系統和非生命系統中，這都是大自然長期進化和自然選擇的結果。逐級管徑比大約為 左右 。 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 。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。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。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。 （ 5） Filters（ Translators） 轉換其他程序生成的網格，用于 FLUENT 計算。其中的未知數是網格點上的因變量的數值。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。 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。 偏差 39。但 由于存在入口段的影響， 導致了層流和湍流狀態下， FLUENT 計算得到的值與理論計算得到的值存在部分差距 ， 但是 他們的偏差都在 5%以內，所以說明在該旋轉方法，比較正確且完美的接近了理論的值。 （ 2） ?? 176。 隨后又通過空間取點，連線，成面，再由面成體。 （ 7） 劃分網格。 （ 6） 定義 Axisymmetric 求解器 。 時，進口壓強 PaPi ? ， 出口壓強 PaPo ?? ， PaPo ?? 。時， paP 7 9 1 7 4 7 7 8 ?? ； 40176。 尋求最優的管路特征比，就是為了得到最小的泵功消耗，使管路的量能消耗最低，起到節能的功效。 44 2 176。 這是由于 在管內流動在分岔角和管徑變化的時候都會產模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 176。、 176。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP 6 6 1 2 4 4 4 ?? 。 2 37176。、 29176。 ?? 176。而計算結果中出現的壓力降變化不單調，是由于在建立模型的時候，連接端面不完善造成的微小量的局部損失。 40 2 30176。流體由上層的 0 級流入，經過各個級別的分叉流動以后，流到上層末級別的末端，再從下層微管末級別的末端流入，從下層的 0級流出。 對于圖 上的樹狀結構，各級流道所包含的數目為： mnmininini2422110?????????? 因此： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 37 0000)2(22ldldldAiiiiiiii??????????????? （ 39） 將式（ 39）代入（ 38）中： )21)2(1(2))2()2(21(2200020000??????????????????????????????? ??mmmiiiiFThldThldTAhQ? （ 310） 無論對于層流還是湍流，上式均成立，只是各級努塞爾特數之比 ? 發生變化。 對于第 i級微通道，其努塞爾特數為： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 39 Pr)(Re ,ii fNu ? 這里認為各級通道的普朗特爾數 Pr 相同。在本文中，認為兩個連續分支 級別上的摩擦系數比為常數， 即： ???1iiff （ 333） 整理可得： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 44 ii ff ?0? （ 334） 將式（ 328）代入式（ 329）可得： iiiiiiiiiFNPVDLfNP5202000052, 2??????????? (335) 則分型管中總的壓力降為： )(1)(12225215205200,??????????????? ??????????NNPNPPPmiiiimiiFF (336) 分形樹狀微管中的總的泵功消耗是由總流量和總的壓力降所共同決定的： FF PQP ?? 0 (337) 結合式（ 331）和流量關系式可得： )(1 )(121 521520020 ????????? ??? ???? NNPVDPmF （ 338） 現在我們要在總的傳熱量和傳熱系數都相等的情況下，討論平行微通道內的總的泵功 消耗能力。 （ 3） ?? 時， 整理得： 11 ?????? mmPFPP 當 m=5 時， ?PFPP ，當 m=6 時， ?PFPP 。 （ 3） ?? 時， 分形樹狀微通道與平 行微通道壓力降的比值為： 11152152)(1)(1???????????????????????mmmmPFPP 當 m取 5 時 , ?PFPP ,當 m取 6 時， ?PFPP 。特別是， ? 值越大，分形樹狀微通道的傳熱性能就越高。 而 QF/QP 值與各級努塞爾特數之比 ? 有關。 LD 和 dD 分別是管長與管徑分形維數，在 Mandelbrot ]13[ 所著的《大自然中的分 形》一書中可查得分別是 和。 漩渦 現象 ： 圖 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 33 流體在流動過程中局部出現了漩渦現象，相當于增加了傳熱面積，加強了 T型管路的換熱效率。 、 FLUENT 建立多級 Y型模型 三級、四級 Y 型 管內的流動狀態模擬 如下： 模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 27176。 30?? 176。 27?? 176。 二、湍流 由拉格朗日乘子法推到出，湍流光滑區的最優特征參數： , 0101 ??? ?LLDD 176。 時， FLUENT 的計算結果 ： 壓力降： PaP 7 9 1 7 4 7 8 ?? 。 35?? 176。在分岔角一定的條件下，影響管內局部損失大小的 只剩下了管徑的變化。 時， 1D 分別為 、 、 。綜上，可知最佳的管徑比 10 DD 應該小于拉格朗日乘子法下算出的比值；而分岔角 ? 也應該比拉格朗日乘子法下的略小些。可見在總管腔體積和總占地面積一定的條件下，層流狀態時， 約 在 35176。這是由于在建模的過程中，計算中心 軸終點的坐標不夠什么精確。 時，進口壓強 PaPi ? ， 出口壓強 PaPo ?? , PaPo ?? 。 （ 2） 檢查網格。此時的兩圓柱斷面乘橢圓形。 （ 4） 45?? 176。 、 湍流光滑區 二級 Y 型管路總的消耗功為： )2())2/(2(100110010dldlcdlmdlmWWWs u m????????? ????? ??? 式中： ?? ? mc ?? 用拉格朗日乘數法同理可得： 02 271101 ?? ?dd 952c osc os22c os c os 2752 ????? ???? ? 當 ? ?? 時，上式成立，即 ??? 時。 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設計 (論文 ) 14 湍流狀態下的 ： 最大壓力值 PaPM AX ? ， 最小壓力值 PaPM IN ?? ， 壓力差 PaPPP M INM A X 6 4 7???? 。 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。 gvhj 22?? （ 28） 式中： ? 為局部損失系數。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。 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