《圆管自然对流计算和模拟.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《圆管自然对流计算和模拟.docx（22页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、水平管和竖直管自然对流计算汇总1. 计算工况表一一温度工况计算结果.100 C150 C200 C250 C300 C传热系数hW/ (m 2 - K)水平管7.9589.11510.04510.80311.527竖直管4.7155.3695.8996.3356.754换热量4水平管75.962141.388215.734296.472385.128W竖直管45.00883.390126.703173.860225.649最大速度umax水平管0.4760.5370.5850.6970.736m/s竖直管0.8401.0501.1801.2901.3902. 变化曲线图000 0 5 0 4
2、3 3 (M)DW蒸坚ioor 150cc 2oor 250 r 3oor壁温(c)水平管 一竖直管4.2nJI8 6 4o.o.o.100X215OT2200JC250E 3D0E内壁温(-C )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D = 38mm，长度L = 1000mm，空气温度。=20 C，恒壁 0温条件T =100,150,200,250,300 C，求解自然对流换热系数和换热量以及对流换 WO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TW = 10
3、0C为例，计算过程如下：特征长度：D = 0.038m ；定性温度 t =(t +1 )；2 = (100+20).；2 = 60 C ；查空气物性：人=0.029W (m- K) ； v =20.1 x10-6 m2s ； Pr = 0.696空气的体积膨胀系数：av=1/(tm + 273)=1/(60+273)= 1333K-1格拉晓夫数Gr: Gr =史%)D3 =冬竺担*W1 = 3.2x105V 2(20.1x10-6)2大空间自然对流的实验关联式为：Nu = C (Gr Pr)n(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
4、面形 流动情况示流态 系数C和指数nGr数适用范围状与位置意图Cn层流0.481/41045.76X108横圆管过渡流0.04450.375.76X1084.65X109湍流0.101/34.65X109由式(1-1)和表1可得：Nu = 0.48 x(Gr Pr )/4=0.48x(3.2x105 x0.696)/4 =10.428h w = 0.029x10.428 = 7.958wXm2 . K) D38x10 - 3故水平圆管换热量：O=hA(t -1 ) = 7.958x3.14x0.038x1x(100-20)= 75.962W按照以上相同的步骤，在给定恒壁温100,150,200
5、,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 C150 C200 C250 C300 Ch , Wi (m 2 - K )7.9589.11510.04510.80311.5274 , W75.962141.388215.734296.472385.1282)圆管垂直放置计算以壁温T=100C为例，计算过程如下：特征长度：H = 1m定性温度t =(t +1 2 = (100 + 20);2 = 60 C ；查空气物性：人=0.029W(m- K) ； v =20.1 x 10-6 ms ； Pr = 0.
6、696空气的体积膨胀系数：av=1/(tm + 273)=1/(60+273)= 1/333K-1(20.1x10-6)2格拉晓夫数 Gr:Gr =、) =尝也120 = 5.83 x109对于竖圆柱按照竖壁同用一个关联式必须满足:d 35辛H Gri/4H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ff A-0.79Nu / Ra1/4 = 0.85 Ra1/4 H)0.0006V Ra1/4 0.1 H,CS fD )TNu / Ra1/4 = 0.59 + 0
7、.52 Ra1/4 H J0.1Ra1/4 32H由表1可得:先计算 Rai/4 - = Gr Pr)/4 - D =(5.83 x 109 x 0.696)/4 x 0038 = 9.59HH1Nu = 0.59 + 0.52 f Rai/4 - F Rai/4L H八=0.59+0.52 x(9.59)x(5.83 x 109 x 0.696)/4=162.594h =譬=0.029；62.594 = 4.715W/(m2 . K)故水平圆管换热量：O=hA(t -1 ) = 4.715x3.14x0.038x1x(100-20) = 45.008W按照以上相同的步骤，在给定恒壁温100,
8、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：h ,W（m 2 - K ）4.7155.3695.8996.3356.7544 , W45.00883.390126.703173.860225.649（H）和竖直管（V）自然对流换热系数和换热量的对比图形-水平管图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
9、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，位于中心位恒温壁面20 C空气图4压力出口边界2）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一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5rrii*j?rir-jJFri illllllllllllllllllLlllX, lll 3 iLii I ML%、|5
10、I Wl M HA ll 、 L、 I I ll 、 , m E，认 .11,1.1 |E f1 f、411.4.111图30温度云图图33旋涡图32速度云图最大速度可在云图中直接读出：0.831m/s。壁温150C模拟结果图35压力云图1,05e-HjU.有您S.44P-D16.33e-014.22e-01,：-2J4tr2.11e-D1D.OOe-H：iO图34温度云图图37旋涡图36速度云图最大速度可在云图中直接读出：1.05m/s壁温200C模拟结果图38温度云图图39压力云图A砌工2叫氓鹏:1：虹5买.、 ,、.、w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/
11、s 壁温250C模拟结果2.晚m2B14-LI2-G 4Qd-LG-L10e-O1图42温度云图4.144-01图45旋涡图43压力云图图44速度云图最大速度可在云图中直接读出：1.29m/s壁温300C模拟结果图46温度云图图47压力云图! .4：5口.-I II ! !:心碰工：二二：1.14ei-DG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 C150 C200 C250 C300 Cu m/s max0.841.051.181.291.39结论分析:1)自然对流换热强弱取决于高
12、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）3.水平圆管和竖直圆管自然对流的最大速度对比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。1）现将模拟的最大速度汇总，如表格7：图50f -或翘夜博表7最大速度对比表格温度工况计算参数100莒150 C200 C250 C300 C水平管u , m/s0.4760.5370.5850.6970.736垂直管u , 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：结论：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;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;21欢迎下载
