圆管自然对流计算和模拟

水平管和竖直管自然对流计算汇总1.计算工况表温度工况计算结果100℃150℃200℃250℃300℃传热系数h2WmK水平管7.9589.11510.04510.80311.527竖直管4.7155.3695.8996.3356.754换热量W水平管75.962141.388215.734296.472385.128竖直管45.00883.390126.703173.860225.649最大速度maxum/s水平管0.4760.5370.5850.6970.736竖直管0.8401.0501.1801.2901.3902.变化曲线图圆管自然对流的计算和数值模拟已知条件如图1所示：将一圆管分别水平放置和垂直放置在大空间中进行自然对流换热，圆管外径38Dmm，长度1000Lmm，空气温度20TC，恒壁温条件100,150,200,250,300wTC，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换热时的空气最大速度。图1一、数值计算1.自然对流换热系数和换热量的计算1)圆管水平放置计算以壁温100wT℃为例，计算过程如下：特征长度：0.038Dm；定性温度210020260mwtttC；查空气物性：0.029WmK；-62=20.110ms；Pr0.696空气的体积膨胀系数：112731602731333vmtK格拉晓夫数Gr：大空间自然对流的实验关联式为：PrnNuCGr（1-1）根据计算的格拉晓夫数Gr选择合适的常数C和n（表1）：表1式（1-1）中的常数C和n加热表面形流动情况示流态系数C和指数nGr数适用范围3352629.81/333100200.038=3.21020.110vwgttDGr（）状与位置意图Cn横圆管层流0.481/4104~5.76×108过渡流0.04450.375.76×108~4.65×109湍流0.101/34.65×109由式（1-1）和表1可得：故水平圆管换热量：=hA7.9583.140.03811002075.962wttW按照以上相同的步骤，在给定恒壁温100,150,200,250,300℃的情况下，可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量，计算结果列于表2中：表2水平管计算工况表温度工况计算参数100℃150℃200℃250℃300℃h,2WmK7.9589.11510.04510.80311.527,W75.962141.388215.734296.472385.1282)圆管垂直放置计算以壁温100wT℃为例，计算过程如下：特征长度：1Hm定性温度210020260mwtttC；查空气物性：0.029WmK；-62=20.110ms；Pr0.696空气的体积膨胀系数：112731602731333vmtK格拉晓夫数Gr：1/41/450.48Pr=0.483.2100.696=10.428NuGr230.02910.4287.9583810NuhWmKD3392629.81/333100201=5.831020.110vwgttLGr（）对于竖圆柱按照竖壁同用一个关联式必须满足：经验算，并不满足情况，应该按照文献【杨世铭.细长竖圆柱外及竖圆管内自然对流传热】中的关联式进行计算。表3竖圆柱自然对流关联式加热表面形状与位置流动情况示意图关联式适用条件竖圆管0.791/41/4/0.85DNuRaRaH1/40.00060.1DH＜Ra＜11/41/4/0.590.52DNuRaRaH1/40.132DRaH＜＜由表1可得：先计算1/41/41/490.038=Pr5.83100.6969.591DDRaGrHH11/41/41/4-190.590.52=0.59+0.529.595.83100.696=162.594DNuRaRaH故水平圆管换热量：=hA4.7153.140.03811002045.008wttW按照以上相同的步骤，在给定恒壁温100,150,200,250,300℃的情况下，可以计算出相应的自然对流的换热系数和换热量，计算结果列于表2中：表4水平管计算工况表温度工况计算参数100℃150℃200℃250℃300℃1/435HdHGr≥20.029162.5944.715H1NuhWmKh,2WmK4.7155.3695.8996.3356.754,W45.00883.390126.703173.860225.6492.水平管（H）和竖直管（V）自然对流换热系数和换热量的对比图形图2换热系数图3换热量3.计算结果分析由图2和图3可知：1)水平放置的圆管自然对流的换热系数和换热量都明显高于竖直放置的圆管；2)随着温度的增加，两者换热系数和换热量都逐渐呈线性增长；3)水平圆管自然对流换热系数相对增加较多。二、数值模拟1.水平圆管的数值模拟1)物理模型如图4所示，本文采用的物理模型为大空间自然对流，外边界设置为压力出口边界，与大气相通，内边界为高温管道壁面，圆管直径按照实际尺寸设计。用ICEM-CED建立的模型长为380mm，宽为380mm，圆管直径38mm，位于中心位置。图42)网格划分本次模拟的网格为结构化网格，ICEM网格划分需要对物理模型进行分块处理（block），块的划分采用O-block，O—block易于对内边界做网格加密处理，块的划分和网格的生成如图5和图6所示。图5恒温壁面压力出口边界20℃空气图64)网格质量和网格无关性验证经网格无关性验证后，网格质量符合要求，网格划分合理。5)计算结果与分析自然对流是由于空气温度差引起的密度差，从而产生浮升力推动空气运动的现象，实质属于可压缩流动。在Fluent中气体模型采用Boussinesq可以得到比较好的模拟结果。Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时间的函数，而能量方程中的密度视为常量。在Fluent中设置好参数和边界条件后，计算结果如下：①壁温100℃模拟结果图7温度云图图8压力云图网格加密图9速度云图图10旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.476m/s。②壁温150℃模拟结果图11温度云图图12压力云图图13速度云图图14旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.537m/s②壁温200℃模拟结果图15温度云图图16压力云图图17速度云图图18旋涡最大速度可在速度云图中直接读出：0.585m/s②壁温250℃模拟结果图19温度云图图20压力云图图21速度云图图22旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.697m/s②壁温300℃模拟结果图23温度云图图24压力云图图25速度云图图26旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.736m/s速度随着温度变化的汇总表：表5水平管最大速度计算工况表温度工况计算参数100℃150℃200℃250℃300℃maxu,m/s0.4760.5370.5850.6970.736结论分析：1)自然对流换热强弱取决于高温壁面温度与周围流体温度差的大小，温差越大，换热发展越迅速，流动越强烈；2)随着壁面温度的增加，最大空气流速也在随之增加；3)在温差的驱动下形成上升流，并在压差作用下上升流两侧形成漩涡。2.竖直圆管的数值模拟1)物理模型如图4所示，本文采用的物理模型为大空间自然对流，由于物理模型左右对称，故只需模拟其中的一侧即可，同样外边界设置为压力出口边界，与大气相通，内边界为高温管道壁面，圆管直径按照实际尺寸设计。用ICEM-CED建立的模型长为2000mm，宽为570mm，圆管直径38mm，位于中心位置。图272)网格划分本次模拟的网格为结构化网格，ICEM网格划分需要对物理模型进行分块处理（block），内边界的网格加密处理，块的划分和网格的生成如图28和图29所示。图28恒温壁面压力出口边界20℃空气绝热绝热图296)网格质量和网格无关性验证经网格无关性验证后，网格质量符合要求，网格划分合理。7)计算结果与分析自然对流是由于空气温度差引起的密度差，从而产生浮升力推动空气运动的现象，实质属于可压缩流动。在Fluent中气体模型采用Boussinesq可以得到比较好的模拟结果。Boussinesq近似是将动量方程中密度定义为时间的函数，而能量方程中的密度视为常量。在Fluent中设置好参数和边界条件后，计算结果如下：①壁温100℃模拟结果网格加密图30温度云图图31压力云图图32速度云图图33旋涡最大速度可在云图中直接读出：0.831m/s。②壁温150℃模拟结果图34温度云图图35压力云图图36速度云图图37旋涡最大速度可在云图中直接读出：1.05m/s②壁温200℃模拟结果图38温度云图图39压力云图图40速度云图图41旋涡最大速度可在速度云图中直接读出：1.18m/s②壁温250℃模拟结果图42温度云图图43压力云图图44速度云图图45旋涡最大速度可在云图中直接读出：1.29m/s②壁温300℃模拟结果图46温度云图图47压力云图图48速度云图图49旋涡最大速度可在云图中直接读出：1.39m/s速度随着温度变化的汇总表：表6竖直管最大速度计算工况表温度工况计算参数100℃150℃200℃250℃300℃maxu,m/s0.841.051.181.291.39结论分析：1)自然对流换热强弱取决于高温壁面温度与周围流体温度差的大小，温差越大，换热发展越迅速，流动越强烈；2)随着壁面温度的增加，最大空气流速也在随之增加；3)在温差的驱动下形成上升流，并在压差作用下上升流两侧形成漩涡。3.水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度对比1)现将模拟的最大速度汇总，如表格7：表7最大速度对比表格温度工况计算参数100℃150℃200℃250℃300℃水平管maxu,m/s0.4760.5370.5850.6970.736垂直管maxu,m/s0.841.051.181.291.392)水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度曲线图，如图50：图50结论：①竖直管的自然对流最大速度明显高于水平管自然对流的最大的速度；②随着温度的增加，两者的最大速度都逐渐呈线性增加，且增加的幅度越来越小；