基于計算流體動力學的圓筒件內液體對流換熱數值分析*

2018-09-20 02:14:50劉偉

機械制造 2018年4期

關鍵詞：模型

□劉偉

陜西國防工業職業技術學院西安 710300

計算流體動力學（CFD）是20世紀60年代伴隨計算機技術發展而迅速崛起的一門新學科［1-3］。FLUENT是通用CFD軟件，用于模擬不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。

由于采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，FLUENT能達到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結構化網格、基于解的自適應網格技術和成熟的物理模型，使FLUENT在湍流、傳熱、相變、化學反應、燃燒、多相流、旋轉機械、動變形網格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應用［4-6］。

1 對流換熱理論基礎

將實際模型轉化為物理模型進行仿真分析時，需要對一些次要因素進行簡化分析，這樣才能排除次要因素帶來的干擾，便于更好地研究模型的特征和性能。筆者研究的是圓筒件內流體穩定時的流動特性與傳熱特性，因此整個過程認為是穩態過程，采用FLUENT穩態求解。仿真所采用的圓筒件內流動介質為水，入口流速取值較低，由壓力變化而引起的密度變化不大，因此可認為管內流動為不可壓流動，基于應力求解器進行求解。整個仿真過程中不考慮重力對圓筒件內流體的影響。

對流換熱是由于兩個完全接觸的物體或一個物體不同部分之間存在溫度梯度而引起自由電子移動的結果，研究對流換熱的實質是研究物體內存在溫差時各部位溫度隨時間的變化規律，可表示為［7］：

式中：q為熱流密度；Q為熱量；A為換熱面積；t為換熱時間；k為熱導率；T為換熱溫度；L為換熱物體的長度。

熱對流指物體表面與周圍接觸的介質之間由于存在溫差使運動質點發生相對位移進而引起能量轉移的現象，可以表示為：

式中：T0為物體換熱前溫度；α為對流傳熱系數，與流體的溫度、比熱、流速、密度、熱導率、黏度等有關。

2 圓筒件計算模型

GAMBIT是為了幫助分析者和設計者建立并網格化CFD模型而設計的軟件，通過用戶界面來得到用戶的輸入，可以實現建模、網格化模型、指定模型區域大小等基本步驟。GAMBIT在ACIS內核基礎上具有全面三維幾何建模能力，通過多種方式可直接建立點、線、面、體，而且具有強大的布爾運算能力。ACIS內核提高為ACIS R12后，大大領先于其它計算機輔助工程軟件的前處理功能，可對自動生成的Journal文件進行編輯，自動控制修改或生成新幾何體與網格［11-15］。利用GAMBIT建立圓筒件計算模型，如圖1所示。具體參數設定見表1。

3 圓筒件內液體對流換熱數值分析

3.1 求解步驟

FLUENT的前處理功能用于生成網格，可對結構化或非結構化網格進行求解，同時具有強大的后處理能力。具體求解步驟如下：①確定幾何形狀，生成計算網格；②選擇二維或三維模式進行模擬計算；③輸入網格；④檢查網格；⑤ 選擇求解功能；⑥ 選擇求解的方程；⑦ 確定流體物理特性；⑧ 設定邊界條件；⑨ 流場初始化；⑩根據各參數進行計算，檢查結果，并進行后處理［16］。

表1 計算模型參數設定

▲圖1 圓筒件計算模型

3.2 網格生成

采用結構化網格方法的優勢在于其很容易地實現區域的邊界擬合，網格生成速度快、質量好、數據結構簡單，易于生成物面附近的邊界層網格，有許多成熟的計算方法和較好的湍流計算模型。

對于不同的復雜外形，必須構造不同的網格拓撲結構，因而無法實現網格的自動生成，生成網格費時費力。結構化網格比較明顯的缺點是適用范圍較窄，只適用于形狀規則的圖形，其發展的方向是減少工作量，實現網格的自動生成、自適應加密，具有良好的人機對話和可視功能，具有良好的接口功能，注重更有效的數據結構等。

根據圓筒件結構，進行網格生成，如圖2所示。為了驗證模型的正確性，進行迭代，在迭代200次后計算收斂，確認模型的正確性。迭代殘差曲線如圖3所示。

▲圖2 網格生成

3.3 計算結果后處理

入口A處和B處的速度均為1 m/s時，溫度分別為280 K和320 K。入口A處通入冷水，入口B處通入熱水，采用填充方式進行迭代后，出口C處的溫度為260 K左右，如圖4～圖6所示。沿Z軸方向溫度分布曲線如圖7所示。入口A處和B處的壓力均為2 240 Pa時，采用填充方式進行迭代后，出口C處的壓力約為-2 170 Pa，如圖8～圖10所示。水平面速度矢量圖如圖11所示，豎直面速度矢量圖如圖12所示。