熱能與動力工程專業(yè)(論文-wenkub.com

　 　

【正文】 （ 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 。在本文中，認為兩個連續(xù)分支 級別上的摩擦系數(shù)比為常數(shù)， 即： ???1iiff （ 333） 整理可得： 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)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(jié)合式（ 331）和流量關(guān)系式可得： )(1 )(121 521520020 ????????? ??? ???? NNPVDPmF （ 338） 現(xiàn)在我們要在總的傳熱量和傳熱系數(shù)都相等的情況下，討論平行微通道內(nèi)的總的泵功 消耗能力。特別是， ? 值越大，分形樹狀微通道的傳熱性能就越高。 對于第 i級微通道，其努塞爾特數(shù)為： 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 39 Pr)(Re ,ii fNu ? 這里認為各級通道的普朗特爾數(shù) Pr 相同。 而 QF/QP 值與各級努塞爾特數(shù)之比 ? 有關(guān)。 對于圖 上的樹狀結(jié)構(gòu)，各級流道所包含的數(shù)目為： mnmininini2422110?????????? 因此： 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)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(shù)之比 ? 發(fā)生變化。 LD 和 dD 分別是管長與管徑分形維數(shù)，在 Mandelbrot ]13[ 所著的《大自然中的分 形》一書中可查得分別是 和。流體由上層的 0 級流入，經(jīng)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。 漩渦 現(xiàn)象 ： 圖 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 流體在流動過程中局部出現(xiàn)了漩渦現(xiàn)象，相當于增加了傳熱面積，加強了 T型管路的換熱效率。 40 2 30176。 、 FLUENT 建立多級 Y型模型 三級、四級 Y 型 管內(nèi)的流動狀態(tài)模擬 如下： 模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 27176。而計算結(jié)果中出現(xiàn)的壓力降變化不單調(diào)，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。 30?? 176。 ?? 176。 27?? 176。、 29176。 二、湍流 由拉格朗日乘子法推到出，湍流光滑區(qū)的最優(yōu)特征參數(shù)： , 0101 ??? ?LLDD 176。 2 37176。 時， FLUENT 的計算結(jié)果 ： 壓力降： PaP 7 9 1 7 4 7 8 ?? 。 時， FLUENT 計算結(jié)果： 壓力降： PaP 6 6 1 2 4 4 4 ?? 。 35?? 176。、 176。在分岔角一定的條件下，影響管內(nèi)局部損失大小的 只剩下了管徑的變化。 這是由于 在管內(nèi)流動在分岔角和管徑變化的時候都會產(chǎn)模型 ? 0L /mm 1L /mm 10 LL /mm 0D /mm 1D /mm 10 DD P? /Pa 176。 時， 1D 分別為 、 、 。 44 2 176。綜上，可知最佳的管徑比 10 DD 應(yīng)該小于拉格朗日乘子法下算出的比值；而分岔角 ? 也應(yīng)該比拉格朗日乘子法下的略小些。 尋求最優(yōu)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(jié)能的功效。可見在總管腔體積和總占地面積一定的條件下，層流狀態(tài)時， 約 在 35176。時， paP 7 9 1 7 4 7 7 8 ?? ； 40176。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 ?? 。 時，進口壓強 PaPi ? ， 出口壓強 PaPo ?? , PaPo ?? 。 （ 6） 定義 Axisymmetric 求解器 。 （ 2） 檢查網(wǎng)格。 （ 7） 劃分網(wǎng)格。此時的兩圓柱斷面乘橢圓形。 隨后又通過空間取點，連線，成面，再由面成體。 （ 4） 45?? 176。 （ 2） ?? 176。 、 湍流光滑區(qū) 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(shù)法同理可得： 02 271101 ?? ?dd 952c osc os22c os c os 2752 ????? ???? ? 當 ? ?? 時，上式成立，即 ??? 時。但 由于存在入口段的影響， 導(dǎo)致了層流和湍流狀態(tài)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(nèi)，所以說明在該旋轉(zhuǎn)方法，比較正確且完美的接近了理論的值。 湍流狀態(tài)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(yè)設(shè)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(yè)設(shè)計 (論文 ) 14 湍流狀態(tài)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???? 。 偏差 39。 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(zhuǎn)，以解決三維的單管問題。 層流 沿程損失系數(shù) ： 64Re64 ???? 由 章節(jié)可知： 沿程損失： 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 mgVDLh42222????????? ? 進出口兩端的理論壓強降 : aPhgP 22 00 4? ??????? ?? 湍流狀 態(tài)： 進口的速度取： V=4 sm ，由雷諾數(shù)的計算公式?VD?Re得： 462 1024Re ?????? ?? 雷諾數(shù)： 3104? ??Re 510 ,符合湍流光滑管區(qū)， 由 波拉休斯的計算 公式可知： 湍流狀態(tài)下的沿程損失系數(shù)： 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(wǎng)格劃分并進行FLUENT 導(dǎo)入計算，發(fā)現(xiàn)其值總是與理論上計算出來的值相差很多。 gvhj 22?? （ 28） 式中： ? 為局部損失系數(shù)。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。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(shù)。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。 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(qū)域幾何形狀的構(gòu)建、邊界類型以及網(wǎng)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 求解器對流動區(qū)域進行 定義 求解計算，并進行計算結(jié)果的后處理。 （ 5） Filters（ Translators） 轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格，用于 FLUENT 計算。FLUENT 軟件包中包括以下幾個軟件： （ 1） GAMBIT用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。該軟件在航空 航天、 汽車設(shè)計、石油天然氣、渦輪機設(shè)計的方面都有著廣泛的應(yīng)用，其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、汽油消散 /聚積、多相流、管道流動等。鑒于此，國內(nèi)外開發(fā)出了大量的商業(yè)數(shù)值模擬軟件， FLUENT 軟件就是其中比較著名的一種。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。 江蘇科技大學本科畢業(yè)設(shè)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(yīng)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(dǎo)出最優(yōu)的管徑比和最優(yōu)的管長比及最優(yōu)分岔角。研究過程中，建模時關(guān)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(nèi)的流動換熱。本研究主要是借助 FLUENT 軟件應(yīng)用，建立幾何網(wǎng)格模型，并通過 FLUENT 導(dǎo)入，計算，分析研究各種狀態(tài)下的結(jié)果。 本文是在閱讀大量的有關(guān)分形樹狀管路的文獻資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)了經(jīng)典拉格朗日乘子法 。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(gòu)造應(yīng)是類似于自然界中的“樹”；Plawsky[9]則根據(jù)分形幾何原理認為樹狀肋片應(yīng)當滿足自相似特征，并分析了整體肋效率； 夏再忠 [10]應(yīng)用變分法對樹狀翅片的優(yōu)化問題進行了探討，認為對于高導(dǎo)熱翅片應(yīng)呈現(xiàn)“細而長”的高樹，而對于低導(dǎo)熱的翅片則應(yīng)選擇 “短而粗”的矮樹。逐級管徑比大約為 左右 。 它需減少樹液在自己體內(nèi)管路中流動的摩擦損耗以節(jié)省能量 。并且分形樹狀結(jié)構(gòu)廣泛的存在于生命系統(tǒng)和非生命系統(tǒng)中，這都是大自然長期進化和自然選擇的結(jié)果。 本文主要 是 探討 樹狀管路 的 流動換熱特性 分析 。 樹狀結(jié)構(gòu)參數(shù)（逐級管徑比、管長比和分岔角）均為優(yōu)化所得。但后來發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力很大；而且要進一步提高其冷卻能力，就需加大冷卻工質(zhì)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。 下一代電子芯片的散熱熱流密度將會超過 1000W∕cm2 的數(shù)量級。 得出下述結(jié)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(yōu)； (2)在 總的傳熱量和傳熱系數(shù)都相