熱能與動力工程專業(論文(完整版)

　　

【正文】 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 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。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。 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。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。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。 它需減少樹液在自己體內管路中流動的摩擦損耗以節省能量 。 本文主要 是 探討 樹狀管路 的 流動換熱特性 分析 。但后來發現，這種布局方式會造成芯片表面溫度分布很不 均勻，使得表面熱應力很大；而且要進一步提高其冷卻能力，就需加大冷卻工質流量，這樣一方面會消耗更多的泵功，另一方面泵的噪聲問題也變得比較突出。 得出下述結論： (1)在換熱面積相同的前提下，樹狀分形管路的換熱性能并非一定最優； (2)在 總的傳熱量和傳熱系數都相等的前提下樹狀分形管路的泵功消耗低于平行通道冷卻系統。江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) I 本科畢業設計 (論文 ) 學 院 船舶與海洋 工程學院 專 業 熱能與動力工程專業 學生姓名 朱春雷 班級學號 0640202039 指導教師 張東輝 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) II 二零壹零 年六月 江蘇科技大學本科畢業論文 樹狀管路中流動換熱特性分析 Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer in Fractal TreeLike Structure 摘 要 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) III 樹狀分形結構是自然界中一種 非常 普遍的結構， 具有很多的特有的運輸特性。 本文為流體樹狀管路的優化和設計提供了有益的參考。 有些學者受生物肺很高的傳熱面積密度啟發，設計了樹狀結構換熱器。 為設計性能更好的冷卻系統做初步的準備 。它通過枝葉、樹干、根部的分布來盡可能的完善自己的生長。 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。得出樹狀管路的流動換熱特性。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。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 。 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。 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。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。 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。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” 。 ?? ???? 39。 、 Y型樹狀管路的 FLUENT 模擬優化 由于拉格朗日乘子法沒辦法考慮到管內的 局部損失，所以在上述的理論最優參數附近建立了不同的參數模型，對拉格朗日最優參數進行驗證。 時，計算得： mmLmmL , 10 ?? ， 10 ?LL 。 （ 4） 在 0 級支管的首端建立另一坐標系，建立 0D 管徑的圓柱 ,斷面為圓形。 （ 3） 建立求解模型，這里定義為層流。 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 22 （ 2） ?? 176。所以與實際中的完全對稱相等有點區別，但是影響不大。附近出現較小的壓力差值 ，與拉格朗日計算得結果有出入 ，這是因為分岔角存附近有局部損失 。下面將進行驗證該觀點。 三種情況下的壓力分布圖為： mmD ? 圖 mmD ? 圖 mmD ? 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 25 圖 mmD ? 時， FLUENT 的計算結果： 壓力降 ： PaP 7 9 1 7 4 7 8 ?? mmD ? 時， FLUENT 的計算結果： 壓力降： PaP 0 2 8 8 1 0 5 ?? 。比較發現在 1D 在略大于拉格朗日推導出來的值時，壓力差出現最小值，即泵功消耗最小。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP 7 5 4 8 7 8 5 ?? 。 模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 35176。 假設 mmLmmLmmDmmD ,40,2 1010 ???? ， ? 分別取 27176。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP ?? 。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP ?? 。 40 2 28176。 T 型樹狀管路局部損失較為嚴重 。 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） 各流道內的努塞爾特數 Nu 與對流換熱系數之間的關系是： ?iii dhNu? 這里可認為流道內冷媒流體的導熱系數基本不變。 各級努塞爾特數之比 ? ，則與微通道中的流動換熱有關。Ghodoossi，認為分形微通道不是最有利于傳 熱換熱的。 （ 4） 2?? 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 。 （ 2） 1?? 時， 整理得： 11 ?????? mmPFPP 當 m=5 時， ?PFPP ,當 m=6時， ?PFPP 。 3. T 型樹狀管路的水動力特性分析 分形樹狀管路中，對流換熱面積 iA ，可以定義如下： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 43 iiii NLDA ?? （ 327） 結合（ 34）和（ 35）式可得： ii NLDA )(00 ???? （ 328） 代入（ 38）中可知分形樹狀管中總的換熱量 FQ ： TNNhLDTNLDhTAhAhAhQmmiimmF???????????????????????????1)(12)(2)(2100000001100 (329) 分形樹狀管路中，第 i個分支級別的支路的流量取決于： Oii QNQ 1? （ 330） 其中流量： 020024141VDQVDQ iii???? 代入式（ 327）中可得： 0211 VNV iii ??? ? （ 331） 分形樹狀微管的 i 級支管的壓力降為： 22, iiiiiF VDLfP ??? （ 332） 在微管管路中，摩擦系數是與雷諾數有關的函數，在經典的理論和相關的文獻中都有說明。 Choi ]14[ (1991)推薦了下列關系： 通道層流流動（ Re2020） : 3/ PrRe0 0 0 9 7 ?Nu （ 315） 微通道湍流流動（ 2020Re20200） : 3/ ???Nu （ 316） Yu ]15[ (1995)推薦了下列關系： 微通道湍流流動（ 6000Re20200） : 3/ PrRe0 0 0 ?Nu （ 317） 下面就以上述準則關系式估算各級努塞爾特數之比 ? 。由于樹狀結構的熱沉包含上下兩層，因此上式右邊需乘以 2。 本文中 T 型管路的模型是由上下兩層分形樹狀微管路組成的模型，這兩個樹狀微管路具有相同的分支級別和相同的分形維數，其他的特征量均相同。 40 2 29176。時，進出口的壓力差會達到最小值，即泵功消耗最小。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP ?? 。、 176。 2 176。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP 8 2 9 7 2 3 6 7..43?? ?? 176。、 36176。 由此可以得出： 在當管長比一定，分岔角也一定， FLUENT 模擬出的最佳的 管徑比 10 DD 和 理論推導出來的值 相比 略小些。 模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 35176。下面將在FLUENT 軟件應用下，模擬真實的層流管內流動尋找真實的最佳分叉角和管徑比。時， paP 7 2 8 9 2 2 8 ?? ； 176。 （ 3） 40?? 176。 （ 5） 設置邊界條件，流體速度設為 。 （ 6） 合并所有的 ，使其形成一個整體。但是發現 UG導入的模型，出現了很多的點、線，需要修改的地方很多，工作量很大，不利于快速的建立模型。 時，由 （ 211）和（ 212）計算可以得： mmLmmL ,44 10 ?? ， 10 ?LL 。P PP? 單管 內的流動損失基本上都是沿程損失。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 ???? 。 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。 以上是理想狀態下的伯努利方程。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