基于計算流體動力學(xué)的圓筒件內(nèi)液體對流換熱數(shù)值分析*

2018-09-20 02:14劉偉

機(jī)械制造 2018年4期

□劉偉

陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院西安 710300

計算流體動力學(xué)（CFD）是20世紀(jì)60年代伴隨計算機(jī)技術(shù)發(fā)展而迅速崛起的一門新學(xué)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(nèi)的復(fù)雜流動。

由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)LUENT能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和成熟的物理模型，使FLUENT在湍流、傳熱、相變、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、多相流、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、動變形網(wǎng)格、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用［4-6］。

1 對流換熱理論基礎(chǔ)

將實際模型轉(zhuǎn)化為物理模型進(jìn)行仿真分析時，需要對一些次要因素進(jìn)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(nèi)流體穩(wěn)定時的流動特性與傳熱特性，因此整個過程認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)過程，采用FLUENT穩(wěn)態(tài)求解。仿真所采用的圓筒件內(nèi)流動介質(zhì)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(rèn)為管內(nèi)流動為不可壓流動，基于應(yīng)力求解器進(jìn)行求解。整個仿真過程中不考慮重力對圓筒件內(nèi)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(jié)果，研究對流換熱的實質(zhì)是研究物體內(nèi)存在溫差時各部位溫度隨時間的變化規(guī)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(dǎo)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(zhì)之間由于存在溫差使運動質(zhì)點發(fā)生相對位移進(jìn)而引起能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)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(shù)，與流體的溫度、比熱、流速、密度、熱導(dǎo)率、黏度等有關(guān)。

2 圓筒件計算模型

GAMBIT是為了幫助分析者和設(shè)計者建立并網(wǎng)格化CFD模型而設(shè)計的軟件，通過用戶界面來得到用戶的輸入，可以實現(xiàn)建模、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟。GAMBIT在ACIS內(nèi)核基礎(chǔ)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(qiáng)大的布爾運算能力。ACIS內(nèi)核提高為ACIS R12后，大大領(lǐng)先于其它計算機(jī)輔助工程軟件的前處理功能，可對自動生成的Journal文件進(jìn)行編輯，自動控制修改或生成新幾何體與網(wǎng)格［11-15］。利用GAMBIT建立圓筒件計算模型，如圖1所示。具體參數(shù)設(shè)定見表1。

3 圓筒件內(nèi)液體對流換熱數(shù)值分析

3.1 求解步驟

FLUENT的前處理功能用于生成網(wǎng)格，可對結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行求解，同時具有強(qiáng)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(wǎng)格；②選擇二維或三維模式進(jìn)行模擬計算；③輸入網(wǎng)格；④檢查網(wǎng)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(shè)定邊界條件；⑨ 流場初始化；⑩根據(jù)各參數(shù)進(jìn)行計算，檢查結(jié)果，并進(jìn)行后處理［16］。

表1 計算模型參數(shù)設(shè)定

▲圖1 圓筒件計算模型

3.2 網(wǎng)格生成

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法的優(yōu)勢在于其很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，網(wǎng)格生成速度快、質(zhì)量好、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，易于生成物面附近的邊界層網(wǎng)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(fù)雜外形，必須構(gòu)造不同的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而無法實現(xiàn)網(wǎng)格的自動生成，生成網(wǎng)格費時費力。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較明顯的缺點是適用范圍較窄，只適用于形狀規(guī)則的圖形，其發(fā)展的方向是減少工作量，實現(xiàn)網(wǎng)格的自動生成、自適應(yīng)加密，具有良好的人機(jī)對話和可視功能，具有良好的接口功能，注重更有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。

根據(jù)圓筒件結(jié)構(gòu)，進(jìn)行網(wǎng)格生成，如圖2所示。為了驗證模型的正確性，進(jìn)行迭代，在迭代200次后計算收斂，確認(rèn)模型的正確性。迭代殘差曲線如圖3所示。

▲圖2 網(wǎng)格生成

3.3 計算結(jié)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(jìn)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(jìn)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。

▲圖3 迭代殘差曲線

4 結(jié)束語

▲圖4 水平面溫度分布圖

▲圖5 豎直面溫度分布圖

筆者論述了對流熱理論基礎(chǔ)，介紹了FLUENT軟件的求解步驟，以圓筒件為研究對象，應(yīng)用FLUENT對圓筒件內(nèi)液體的對流換熱進(jìn)行數(shù)值仿真研究，采用一階離散化方法，分別對溫度場、壓力場和速度場進(jìn)行分析，確認(rèn)了應(yīng)用FLUENT分析流體力學(xué)的可行性，從而為解決其它復(fù)雜流體問題提供了參考與依據(jù)。