熱能與動力工程專業(論文(更新版)

　　

【正文】 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。 （ 4） TGrid用于從現有的邊界網格生成體網格。 FLUENT 軟件在工業界和教育系統中，有 較高的市場占有率。 、 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。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。主要是通過 FLUENT 軟件來模擬管路中的流動換熱。根據 Weibel 和 Mandlbrot ]6[ 的分析 ， 哺乳動物肺部支氣管分叉角大約為 65176。盡管它們在不相同的生長環境 和用途下，它們在結構上都有一個共同的特點：呈分形樹狀分布。 Silva ]2[ 和 Bejan ]3[ 等 根據圓形 電子芯片 的需求 ， 設計了樹狀結構逆流換熱器 ，如圖 所示。(2)Under the premise of the overall heat transfer and heat transfer coefficients are equal, the pump power of fractal treelike channels is lower then the parallel channels cooling system. In this paper, the results can provide the useful reference for the channels design and optimal operation. Keywords: TreeLike； Fractal； Fluid Flow and Heat Transfer； optimal parameter；FLUENT. 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) V 目 錄 第一章 緒論 1 課題的背景與研究現狀 1 樹狀結構簡介 2 本文主要研究的內容和目標 4 本文的主要工作 4 第二章 樹狀管路的流動特性模擬 5 FLUENT 軟件簡介 5 管內流動的一些基本概念 6 單管流動狀況的計算驗證 8 二級 Y 型管路幾何要素優化 14 層流流動狀況 15 湍流光滑區 17 Y型樹狀管路的 FLUENT模擬優化 17 層流狀態下的 Y型管內流動 17 尋求最優的分岔角 23 FLUENT 建立多級 Y型模型 29 FLUENT建模分析四級 T型樹狀管路內的流動特性 31 第三章 樹狀分形結構水力特性 及熱力特性 34 T 型樹狀管的換熱特性分析 34 微通道內的流動為層流 39 微通 道內的流動為湍流（ 2020Re20200） 40 微通道內的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ） 41 T 型樹狀管路的水動力特性分析 42 管內的流動時層流 45 微通道內的流動為湍流（ 2020Re20200） 46 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) VI 微通道內的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ） 47 結語 51 致謝 52 參考文獻 53附錄 54 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 1 第一章 緒論 、 課題的背景 與研究現狀 近些年來， 隨著計算機集成化程度越來越高， 電子元器件日益微元化， 其中的熱問題變得非常突出 ， 今年的 晚會上惠普電腦被爆出計算機存在嚴重的散熱問題。 本文 第二章主要是應用 FLUENT 軟件模擬了 Y 型管內的流體流動狀況。 最后模擬了四級 T型管路的流動狀態。 隨著硅微加工技術不斷成熟和進步 , 使 微管道網絡 的加工 成為可能。 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 2 圖 逆流換熱器 但是目前對于樹狀管路的冷卻系統性能還存在較大爭議 。如圖 和 所示 ： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 3 圖 (a)動脈或者靜脈血管分叉網絡示意圖 ； (b)典型樹狀雙分叉網型 。 實際上，當需要從空間中高 效率獲取或釋放能量或質量時，又存在一定的材料限制（未填滿空間），都可考慮采納樹形設計。 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。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。 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。 。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。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。 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。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。 ???? ???? P PP?, 39。 但是拉格朗日推導出的參數值是否 是 真實管路內的 最佳參數呢？ Y 型樹狀管路的模型如下： 單根管道壓強 /Pa 層流 湍流光滑區 經驗公式結果 7538 FLUNET 結果 江蘇科技大學本科畢業設計 (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， 應用拉格朗日乘子法 。 （ 3） 40?? 176。通過一系列的摸索，探討出了重新定義坐標系，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 端建立新的坐標系，以新的坐標軸 創建出兩分支管1D ，使其相交，取 交集。 （ 9） 導 出“ .msh”文件。 （ 8） 顯示流體內的流動狀況。 時，進口壓強 PaPi ? ， 出口壓強 PaPo ?? ， PaPo ?? 。時， paP 7 7 5 3 7 2 0 ?? 。 分岔角越大，局部損失就越大 ，增加了泵功消耗。 2 45176。 2 176。、 176。 時， FLUENT 計算結果： 壓力降： PaP 6 1 7 7 7 1 1 0 ?? 。 2 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 27 由此可以得出，在管徑比，管長比一定的條件下，流動狀態為層流時，分岔角約在 37176。時， 以 176。 29?? 176。這是因為 拉格朗日乘子法下的優化只考慮到了管內的沿程損失，而忽略了管內的局部損失，雖然局部損失的值不是很大，但是在真實的 Y 型管路中，依然存在。 速度矢量圖： 圖 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 32 壓力分布： 圖 由壓力分布圖可知，在分岔處，出現了較高的壓力，拐角部分還出現了漩渦。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。比較的前提是兩者的換熱面積相同。這里表明了相鄰級別的努塞爾數值之比 ? ，在分形微通道和平行微通道內傳熱的重要性。 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? 和管路總的數目n的乘積，即： nPQP PP ???? 1,0 （ 340） 平行通道內的傳熱量為： TnLDhQ p ?? )2( 000? (341) 因為傳熱量 FP ? ,且傳熱系數 0h 都相同結合式（ 329）整理可得： 江蘇科技大學本科畢業設計 (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） 、 管內的流動是層流 管內的流動為層流時，由式（ 318）可知層流狀態下相鄰級別的流道內的努塞爾數之比： ?? ?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 m取 5 時， 1515 ????? ??PFPP , 當 m取 6 時， 1616 ????? ??PFPP 。 、 管內流動是湍流（ 20200Re6000 ?? ） 管內的流動為湍流（ 20200Re6000 ?? ）時，由式（ 324）可知該湍流狀態下的相鄰級別的努塞爾數的比值為： 江蘇科技大學本科畢業設計 (論文 ) 48 ?? ?i iNuNu?