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1、半圆螺旋管流动和传热特性研究摘 要螺旋管是一种在动力、化工、石油和核工业中都有广泛应用的空间曲线管。按其截面形状来分，可分为圆形、环形、矩形、半圆形螺旋管等。由于流体在螺旋管道中旋转流动的过程中产生的离心作用使它与直管中的流动有很大的不同，正由于此，其产生的二次流动增加了流体的热扰动从而起到强化传热的作用。而半圆螺旋管，更是在人们的生产和生活中已经取得的越来越广泛的应用。目前所研究的问题主要是基于实验分析与数值模拟两种。实验分析方法所研究的问题是基于相似原理的指导，通过对实际问题进行实验模拟的方式来确定的，在工程研究中具有广泛的应用，但相比而言，耗时较长，成本相对比较高。本文采用数值模拟的方法
2、对半圆螺旋管进行分析，在应用fluent软件和计算流体力学（CFD）相关知识的基础上，对半圆螺旋管管道内流体湍流流动状态下的流场进行数值模拟，分析半圆螺旋管内流场及影响因素，包括轴向速度的分布、压降、雷诺数以及二次流对流场的影响。本文首先概述了半圆螺旋管的应用背景及分析意义，对gambit和fluent进行了系统的介绍,而后进行了数值模拟及分析。通过建模，导入gambit中划分网格定义边界条件，在fluent中设定初始条件进行数值模拟，进一步分析在湍流条件下流体在半圆螺旋管中换热的影响因素。通过数值模拟得出了结论，入口雷诺数对半圆螺旋管的整个流场影响较大，管道内流体压降与流体流速大小成正比。速
3、度越大半截面管中流体压降越大。由此，我们可以增大管道雷诺数从而达到改善流场流动的目的。同时，流体入口速度的大小又影响整个管子中流体的二次流的流型。速度较小时，二次流呈对称分布。当速度较大时二次流向外部偏离且不明显。因此，选择合理的入口速度，可以使流体在流场中达到优化配置。数值模拟及分析的结果对工业生产具有指导意义，可以更好的指导应用进行实践工作。关键词: 半圆螺旋管；传热特性；流动性；三维模拟Title: Semi-circle spiral flow and heat transfer CharacteristicsAbstract The spiral is a power, chemic
4、al; oil and nuclear industry have widely space curve tube. According to their cross-section shape can be divided into round, circular, rectangular, semi-circular spiral. Centrifugation so that it produced in the process of the rotational flow of fluid in the spiral pipe and pipe flows are very diffe
5、rent, precisely because of this, which produces a secondary flow to increase the thermal disturbance of the fluid to play the enhanced mass hot. The semi-circular cross-section spiral has been made more widely used in the production and living of the people.Now the study is based mainly on the exper
6、imental analysis and numerical simulation. Experimental analysis of the study is based on similar guiding principles, practical issues of experimental simulation approach to identify, and in engineering research in a wide range of applications, but in comparison, the time is longer, the cost is rela
7、tively high. In this paper, numerical simulation method is used to analysis the spiral pipe with semi-circular section. It is based on the knowledge of software and computational fluid dynamics (CFD). According to a numerical simulation about flow field under the laminar flow in the semi-circular cr
8、oss-section spiral tube, flow field in the semi-circular cross-section spiral tube and factors were analyzed in the paper, including the influence in flow field about distribution of axial velocity pressure drop. Reynolds number and secondary flow and so on. Firstly, the application background and a
9、nalysis significance of semi-circular section tube was talked in the paper. Having a main introduction about solid works, gambit and fluent, secondly, carrying out a numerical simulation and analysis. The model was built in solid works, a mesh was plotted and the boundary conditions was created in g
10、ambit, then the initial conditions was set in fluent for numerical simulation, further analyzing the effect of the heat transfer in the laminar flow of fluid in the semi-circular tube. It can come to the conclusion that through numerical simulation velocity-inlet Reynolds number has a larger influen
11、ce in the whole semi-circular section. Pressure drop is directly proportional to the flow velocity. The bigger velocity is, the bigger pressure drop is. Thus, we can increase the Reynolds number so as to achieve the purpose of improving the flow field. At the same time, the velocity-inlet of fluid a
12、ffects the distribution of the secondary flow in the whole pipe. When the velocity was smaller, the secondary flow is more symmetrical distribution. When the axial velocity was bigger, the secondary flow move toward the outside and was not clear. Therefore, to choose a reasonable velocity-inlet that
13、 makes fluid reach the optimal allocation of the flow field. All the results of numerical simulation and analysis have the virtue for guiding industrial product, and can guide the application to the practical work better.Keywords: Semicircle spiral; Heat transfer characteristics; Mobility; Three-dim
14、ensional simulation目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题的背景11.2 半圆形螺旋管的应用11.3 本课题所做的工作3第2章 Gambit及Fluent软件介绍42.1 GAMBIT软件介绍42.1.1 GAMBIT功能及简介42.1.2GAMBIT的操作界面52.1.3 GAMBIT网格划分62.2FLUENT软件介绍62.2.1 概述62.2.2 结构程序72.2.3 Fluent软件应用前景8第3章 物理模型的建立93.1 半圆螺旋管建模过程93.2物理模型103.2.1 网格划分103.2.2 控制方程113.2.3 边界条件设置123.2.
15、4 湍流模型12第4章 数值模拟与结果分析144.1 利用FLUENT-3D求解器对半圆螺旋管进行求解144.2半圆螺旋管数值模拟分析154.2.1 残差分析164.2.2 速度分析184.2.3 压力分析204.2.4 压降对流场的影响224.2.5 二次流分析23结 论25致 谢26参考文献27第1章 绪 论1.1 课题的背景管道，在日常生活中经常遇到，通常有圆截面直管，矩形直管等等，圆截面直管的应用居多。正由于直圆管沿直轴线的均匀对称性使它只在大多数普通的流体流动传输状况下具有普遍的应用。而在工业生产等领域，考虑到强化换热，冷却等因素的影响，螺旋管道的应用越发广泛。首先就来讨论研究螺旋管
16、的实用性能。螺旋管是一种在动力、化工、石油和核工业中都有广泛应用的空间曲线管。按其截面形状来分，可分为圆形、环形、矩形、半圆形螺旋管等。由于流体在螺旋管道中旋转流动的过程中产生的离心作用使它与直管中的流动有很大的不同，正由于此，其产生的二次流动增加了流体的热扰动从而起到强化传热的作用。而半圆形截面螺旋管，更是在人们的生产和生活中已经取得的越来越广泛的应用。它的主要应用就是在制造反应釜或容器的夹套上。螺旋管具有许多优于直管的换热特性和结构特征。传热系数比直管高,在相同空间里可得到更大的传热面积，布置更长的管道，减少了焊缝，提高了安全性。尽管螺旋管的流体阻力增大，压降增大，但是其传热效率的提高导致
17、能量的节约要高于因阻力增大而消耗的能量。因此，螺旋管在许多行业得到普遍应用而倍受青睐。所以螺旋管换热器和蒸汽发生器在动力、化工、宇航及核能等工程领域得到了广泛应用1。近年来，有许多研究者将螺旋管技术运用于微滤、纳滤、渗透以及膜蒸馏等中空纤维膜传质分离过程，都取得了良好的效果。这是因为螺旋管可以在管道内部形成与管的轴向垂直的二次流动，这种二次流动与轴向主流复合成螺旋式的前进运动，这样对于流体的层流传质，它不仅仅依靠流体的径向扩散,还有径向二次流的作用，相当于将边界层进行了破坏，更新传质表面，增强了流体在层流运动时的混合，提高传质效果2。螺旋管也会改进管外流型,即壳层流动的流型。增加管外液体的径向
18、混合，减少壳程的沟流和死区，同时由于接近错流,纤维的传质表面不断更新，壳程的传质系数会进一步增大。螺旋管的通用优越性就在于此。而且它在许多的实际应用方面还有其他的特殊作用。1.2半圆形螺旋管的应用随着科学的不断向前发展，由于螺旋管具有优越的结构特性、高效换热效率、自生离心力场和二次流等特点，使螺旋管的换热效果，相对同流速下的直管提高很快，目前，国内外对螺旋管的技术研究主要集中在螺旋管的传热强化性能上。螺旋管的优越结构特性致使螺旋管的传热效果远好于水平管，尽管螺旋管的流体阻力增大，压降增大，但是其传热效率的提高导致能量的节约要高于因阻力增大而消耗的能量。因此，螺旋管在许多行业得到普遍应用而倍受青
19、睐。化工设备中的反应釜就是一个重要的应用。当反应釜直径较大或采用压力较高的传热介质时，采用半圆管夹套代替U型夹套结构不但能提高反应釜内筒抗外压的强度和刚度，而且能提高传热介质的流量，增大传热系数，同时由于传热翅片效应，使相邻半圆管的间隙部分仍然能起到传热作用3。对于大直径的不锈钢容器，这种结构在节省材料方面更具有明显的优势。传热能力是影响PVC产品质量和产量的另一关键指标，在PVC生产过程中，对釜内介质的温度及温差的控制是非常严格的所以传热是PVC生产企业最关心的问题。为了提高传热效率，避免夹套结构所造成的水流短路现象，新型70式PVC聚合釜采用全流通半圆管夹套的结构形式。采用半圆管夹套，有利
20、于提高冷却水的流速，从而提高总传热系数。而全流通半圆管夹套结构可使夹套的传热面积由70m2提高到84m2，提高约20。从而提高了的传热量，在较短时间内迅速转移聚合热。所有的螺旋管道中，半圆形截面管道的应用和整体夹套容器相比，由于半圆管夹套容器结构简单、承压能力强、便于检修、节省材料、传热效果好等优点，目前已广泛应用在化工、医药、食品等领域，如30m以上制药发酵罐、反应釜等大部分采用半圆管夹套作为传热元件。啤酒厂的设备如糖化锅、糊化锅、发酵罐以及清酒罐等设备也大都采用半圆管夹套用作加热或冷却元件。半圆管夹套按排列形式分为螺旋式和排管式，按半圆管形状分为标准半圆管和弓形管。流量较大时常采用标准半圆
21、管。螺旋半圆管夹套式反应器与目前我国普遍采用的普通夹套式反应器相比，有其突出的优点。为某工程设计的水解反应器和热油反应器就采用了此结构，现结合设计与应用问题分述其特点。提高釜体承载能力，降低设备材料费用。如上所述，螺旋半圆管夹套相对普通夹套而言，一方面可提高传热系数，有利于提高传热效率，缩短加热或冷却的时间，从而节省冷热能的消耗；另一方面，螺旋半圆管夹套的总容积较普通夹套的总容积小很多，因而用于加热的载热流体的贮量可相应减少，用于贮存载热流体的容器的体积亦可减小，由此使得散热面积减小而能耗亦减小4。此外，采用螺旋半圆管夹套的反应器的最大外径较普通夹套的小，结构紧凑，占地面积少，可节约操作空间，
22、从而节省了设备投资和能源。螺旋半圆管夹套反应器与普通夹套反应器相比，具有结构紧凑、釜体受力好、传热效率高、节能和节约钢材等优点，随着设备的大型化，其优点更加突出。从设计、使用的角度而言，螺旋半圆管夹套是目前化工生产中较为合理、先进的夹套结构形式。由于当反应釜直径较大或采用压力较高的传热介质时等因素的影响，为了保证较好的换热条件，从而获得更大的换热系数来提高传热效率，半圆形螺旋管作为在工业生产中的换热环节将具有更为广泛的应用。1.3 本课题所做的工作本文在应用fluent软件和计算流体力学（CFD）相关知识的基础上，对半圆截面螺旋管道传热和流动特性进行研究，分析半圆截面螺旋管内流场及影响因素，包
23、括轴向速度的分布、压降、二次流等及雷诺数和结构参数对流场的影响。总结出结论，从而指导生产实践。第2章 Gambit及Fluent软件介绍2.1 GAMBIT软件介绍2.1.1 GAMBIT功能及简介GAMBIT是专用签处理软件包，用来为CFD模拟生成网格模型。由它所生成的网格可供多种CFD程序或商用CFD软件使用。GAMBIT (FLUENT软件的前置处理器) 的网格功能体现在以下几个方面：（1）完全非结构化的网格能力。GAMBIT之所以被认为是商用CFD软件最优秀的前置处理器完全得益于其突出的非结构化的网格生成能力。GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格及
24、混合网格，且有数十种网格生成方法，生成网格过程又具有很强的自动化能力，因而大大减少了工程师的工作量。（2）网格的自适应技术FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在CFD技术中提高计算精度的最重要的技术之一。尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。如采用自适应网格后可以有效地分析汽车后视镜附近的气流分离现象，汽车尾部的旋涡区域及发动机水套的温度场等复杂问题。FLUENT软件具有多种自适应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值（如压力梯度）
25、、网格容积变化率、壁面y*/y+值等进行自适应5。（3）丰富的CAD接口 GAMBIT包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体的几何模型，也可以从PRO/E、UGII、IDEAS、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等主流的CAD/CAE系统导入几何和网格。GAMBIT与CAD软件之间的直接接口和强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供了极大的方便。GAMBIT软件是面向CFD的专业前处理器软件，它包含全面的几何建模能力,既可以在GAMBIT内直接建立点、线、面、体几何，也可以从主流的CAD/CAE系统如PRO/E、UGII、IDEAS、CA
26、TIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN导入几何和网格，GAMBIT强大的布尔运算能力为建立复杂的几何模型提供的极大的方便。GAMBIT具有灵活方便的几何修正功能，当从接口中导入几何时会自动的合并重合的点、线、面；GAMBIT在保证原始几何精度的基础上通过虚拟几何自动的缝合小缝隙，这样既可以保证几何精度，又可以满足网格划分的需要。GAMBIT功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT中专有的网格划分算法可以保证在较为复杂的几何区域可以直接划分出高质量的六面体网格。GAMBIT中的TGRID方法可以在极其复杂的几何区域中可以划分出与相邻
27、区域网格连续的完全非结构化的网格，GAMBIT网格划分方法的选择完全是智能化的，当你选择一个几何区域后GAMBIT会自动选择最合适的网格划分算法，是网格划分过程变的极为容易。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW、NEKTON、ANSYS等求解器所需要的网格。2.1.2 GAMBIT的操作界面GAMBIT自动启动后，出现类似如下图所示的操作界面，该操作界面分为六大区域。 图2.1 GAMBIT操作界面1 显示区;2 菜单区;3 操作区;4.操作提示区;5.命令提示行;6.控制区图2. 2 控制区图标2.1.3 GAMBIT网格划分对于数值分析模拟而
28、言，网格的划分是最为关键的工作之一，要想得到质量较好的网格也具有较大的难度。在使用商用 CFD软件的工作中，大约有 80%的时间是花费在网格划分上的，可以说网格划分能力的高低是决定工作效率的主要因素之一。FLUENT 软件采用非结构网格与适应性网格相结合的方式进行网格划分。与结构化网格和分块结构网格相比，非结构网格划分便于处理复杂外形的网格划分，而适应性网格则便于计算流场参数变化剧烈、梯度很大的流动，同时这种划分方式也便于网格的细化或粗化，使得网格划分更加灵活、简便。 FLUENT 划分网格的途径有两种：一种是用 FLUENT 提供的专用网格软件 GAMBIT进行网格划分，另一种则是由其他的
29、CAD 软件完成造型工作，再导入 GAMBIT 中生成网格。还可以用其他网格生成软件生成与 FLUENT 兼容的网格用于 FLUENT 计算。可以用于造型工作的 CAD 软件包括 I-DEAS、Pro/E、Solid Works、Solid edge 等。除了 GAMBIT外，可以生成 FLUENT 网格的网格软件还有 ICEMCFD、Grudged 等等。 FLUENT 可以划分二维的三角形和四边形网格，三维的四面体网格、六面体网格、金字塔型网格、楔型网格，以及由上述网格类型构成的混合型网格。2.2 FLUENT软件介绍2.2.1 概述FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的
30、计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结
31、构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序6。2.2.2 结构程序在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面7。FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决
32、具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。对于大梯度区域，如自由剪切层和边界层，为了非常准确的预测流动，自适应网格是非常有用的。与结构网格和块结构网格相比，这一特点很明显地减少了产生“好”网格所需要的时间。对于给定精度，解适应细化方法使网格细化方法变得很简单，并且减少了计算量。其原因在于：网格细化仅限于那些需要更多网格的解域。FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的6。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用clie
33、nt/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。在FLUENT中，解的计算与显示可以通过交互界面，菜单界面来完成。用户界面是通过Scheme语言及LISP dialect写就的。高级用户可以通过写菜单宏及菜单函数自定义及优化界面。图2.3 FLUENT软件各组件之间的关系 利用FLUENT软件进行流体的流动和数值分析模拟计算的流程一般是，将用SOLIDWORKS建立好的几何模型在GAMBIT中打开，并用适当的方式进行网格划分，定义边界条件，然后将GAMBIT中的网格文件输出成用于FLUENT求解器计算的MESH文件格式，在FLUENT中读取所输出的文件并
34、设置条件并对流动区域进行求解计算，最终对计算结果进行后处理。2.2.3 Fluent软件应用前景Fluent软件在国内各个领域已经获得广泛的应用，尤其在航天方面，与比较通用的Star-CD等软件可以媲美。由于其减少了研究者在计算方法，编程，前后处理等方面投入的重复，低效的劳动，将更多的时间投入到考虑问题的问题本质，优化算法等方面，因而提高了工作效率，这样必然会获得越来越多的应用，应用效果也必将越来越好。第3章 物理模型的建立3.1 半圆螺旋管建模过程用Gambit建立半圆形截面管模型所用到的基本特征：草图特征、螺旋线、3D草图特征、基本面的建立、曲面、扫描。1选择上视基准面作为草图面，绘制半径
35、R=200mm的圆，此尺寸是螺旋管的旋转直径。2推出草图特征，选择实体特征中的，选择绘制好的草图，设置尺寸：螺距为H=40mm，圈数为3，旋转角度为90，顺时针，点击确定。3点击3D草图，选择刚生成的螺旋线，点击实体转换引用，在设计树中隐藏初始生成的的螺旋线。4退出3D草图，点击中的基准面，选择螺旋线和端点，建立面。5选择面为草图面，以坐标点为中心绘制半径r=10mm的半圆形，推出草图。6打开曲面特征：点击工具/自定义/曲面。7选择，选择半圆形为轮廓，选择螺旋线为路径，点击确定，推出特征。图3.1 半圆形截面管创建模型3.2 物理模型3.2.1 网格划分网格的划分是进行整个数值模拟环节中的一个
36、重要部分。通常网格划分的的好坏影响整个过程计算的精度。并且创建网格耗时长短与建模大小，网格大小，计算机配置等因素有关。本设计划分网格过程耗时7.5小时，采用tri/quad（三角/四边形）形状。具体过程如下： 导入文件将建立的模型导入Gambit中。File下点击import，找到文件打开建模图形文件 定义求解器在面板中单击solver(求解器)，出现许多种求解类型。由于我们所生成的网格将导入fluent中计算求解，所以我们选择fluent5/6，它导出的文件类型为mesh文件。 创建面网格在命令面板中单击Mesh按钮，就可以进入网格划分命令面板。在Gambit中，我们可以分别针对边界层、边、
37、面、体和组划分网格。我们选择进行面网格划分。首先在Mesh Face中选定所要网格划分的面，选定后，将划分单元选择quad/tri类型。其余设置默认即可。在定义面网格大小处（spacing）输入0.7，表示面网格大小为0.7。在点击apply按钮即可完成面的划分7。在面网格的划分类型中有三角形，四边形，三角/四边形3种。由于半圆形截面这种独特不规则的形状使它在选择网格形状时若想得到一个优质的网格的是很困难的。故在选择类型时根据半圆形截面管形状认真分析，试验和计算。在本设计的网格划分过程耗时大约一周，三角形，四边形，三角/四边形3种类型网格均划过，经过反复斟酌比较，得出如下结论：三角形网格来划分
38、半圆形截面，面网格整体布置比较规整，但网格数量过多，节点数过大，导致运算量过大，计算机运行困难用四边形网格来划分，网格数量大小适中，但部分区域网格划分不均匀，导致代入fluent进行运算后，截面速度等值线等模拟与真实值误差较大，精度不高。采用三角/四边形网格划分，网格质量较好，网格分布比较均匀，此类网格划分的面大部分由四边形网格组成，系统将划分区域根据具体形状划分为三角形或四边形网格，使其创建的网格大小比较均匀，故一些特定的形状创建网格时选用此类网格比较适合。本设计选用此类型网格。 调整面网格质量调整的目的就是在创建一个良好的面网格划分的前提下为划分体网格做铺垫。从而提高整体网格的计算速度和质
39、量。其具体操作步骤为： 首先对半圆形截面管的一个截面进行面网格划分。这个过程大约需要几秒钟。 然后针对这个网格进行smooth处理。优化此面的网格。这样做的目的就是：由于网格划分过程中是先进行面网格划分，待单个面完成后从这个面开始计算，进行体网格的划分。因此，若我们先把单个面网格划分好，那么接下来的体网格计算就会容易的多。此道理就像垒高楼首先要打好地基一样8。操作方法：对所划分截面反复进行smooth处理，直到网格划分满意为止。 进行体网格划分当完成面网格的划分后就开始划分体网格。操作方法：选中所要画的体部分，设置网格大小，点击应用就完成了。但运行时间比较长。实验结果：本设计对半圆形截面管采用
40、三角/四边形划分网格方式划分，共生成508140个节点，436392个网格，其中面网格如图所示。网格划分时间运行大约7.5小时。3.2.2 控制方程管内流体的流动和热量传递满足连续性方程、动量方程以及能量方程等控制方程9。连续性方程： (3-1)动量方程： (3-2) (3-3)能量方程： (3-4)3.2.3边界条件设置其边界条件的设置如下：入口设为速度入口边界条件；出口设为outflow；内部设为流体与固体的耦合面；分别计算在等壁温边界条件下，不同污垢厚度下管内流场和温度场及其协同情况。污垢平均厚度为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm四种情况。3.2.4湍流模型湍流流动是工程技术领域与
41、自然界中常见的流动现象，流体作湍流流动时的对流换热也是工程传热过程中最常见的一种热交换方式。湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。在湍流中流体中的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。本文主要采用了标准的k-湍流模型进行了计算。下面给出标准的k-湍流模型的控制方程形式10：标准的k-方程： (3-5) (3-6)其中： （C=0.09） (3-7)Gk为平均速度梯度所引起的湍动能k的产生项，由式（2-8）计算： (3-8)Gb为浮力所引起的湍动能k的产生项，对于不可压流体，Gb=0。对于可压流体，有11： (3-9)其中，gi为重力加速度在第i方向的分量
42、，为热膨胀系数，即： (3-10)YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，YM=0。对于可压流体，为12： (3-11)其中，Mt为湍动能mach数，；是声速，。在标准k-模型中，模型常数C1、C2、C3、k、的取值：C1=1.44，C2=1.92，C=0.09，k=1.0，=1.3依据上述分析，当流动为不可压，且不考虑用于自定义的源项时，Gb=0，YM=0，Sk=0，S=0，此时，标准k-模型变为13： (3-12) (3-13) (3-14)第4章 数值模拟与结果分析4.1 利用FLUENT-3D求解器对半圆螺旋管进行求解求解过程如下：运行合适的解算器：2D、3D、2DDP、3D
43、DP选择3D空间三维立体计算求解器。读入mesh网格文件在GAMBIT处理软件内部，直接有生成FLUENT网格的选项。这些前处理软件生成的网格文件一般称为案例文件，具有cas扩展名，可直接在FLUENT中选择File/Read/Case命令，然后在弹出的File对话框中选中所要导入的文拌，FLUENT在导入过程中会报告网格的相关信息，如节点数、不同类型的单元数等。在FLUENT中，选择File/Read/Case命令，在弹出的对话框中读入.msh文件。 检查网格将网格导入FLUENT后,必须对网络进行检查,以便确定是否可直接用于CFD求解。选择GRIDCHECK命令,FLUENT会自动完成网格
44、检查,同时报告计算域、体、面、节点的统计信息。若发现有错误存在，FLUENT会给出相关提示，用户需要按提示进行相应修改，说明有重复的影子节点存在，在设置周期性壁面边界时可能出现此问题，可选择GridModify-zonesRepair-periodic命令修改。选择Grid/Check命令，FLUENT将对计算网格的不同参数进行检测并在控制台窗口显示相应信息，请特别注意最小体积参数，确保该值为正数14。 网格按比例缩放在GAMBIT中，生成网格使用的单位是mm，在FLUENT中默认单位是m，需要缩放。为此，选择Grid/Scale命令，在弹出的Scale Grid对话框中，在Grid Was
45、Created In下拉菜单中，选取mm，然后单击Scale按钮。选择求解器选择Define/Models/Solver命令，弹出Solver对话框，在Solver选项组中选择Segregated（分离式求解器），在Space选项组中选择3D（三维问题），在Time选项组中选择Steady（稳态流动），其他用默认值。设置运行环境选择Define/Operating Conditions命令，弹出Operating Conditions对话框，保持FLUENT默认的参考压力值（一个标准大气压） 定义材料本文中流动介质为水，FLUENT材料数据库中包含water-liquid这一介质，因此，直接复
46、制即可。为此，选择Define/Materials命令，弹出Materials对话框，单击Database按钮，打开FLUENT材料数据库，在新对话框的Fluid Materials下拉列表中选择water-liquid（h2o），单击Copy按钮，单击Close按钮关闭Materials对话框。设置边界条件选择Define/Boundary Conditions命令，弹出Boundary Conditions对话框，从Zone列表中选择fluid，单击Set按钮后，弹出Fluid对话框；在Materials Name下拉列表中，选择Water-liquid，其他选择默认值，点击OK。设置进口
47、边界。将进口Inlet设为velocity-inlet（速度进口边界条件），在Velocity Inlet对话框的Velocity Magnitude文本框中输入0.02。设置出口边界。将出口Outlet设置为Outflow（出口边界条件），参数使用默认值15。求解对流场进行初始化，并设定残差监视器。选择Solve/Monitors/Residual命令，弹出Residual Monitors对话框。在Options选项组中，选中Plot复选框，单击OK按钮，其余用默认值。用进口的流动初始条件初始化整个流场的解。选择Solve/Initialize/Initialize命令，弹出Solution Initialization对话框，在Compute F
