基于计算流体动力学的圆筒件内液体对流换热数值分析*

2018-09-20 02:14刘伟

机械制造 2018年4期

□刘伟

陕西国防工业职业技术学院西安 710300

计算流体动力学（CFD）是20世纪60年代伴随计算机技术发展而迅速崛起的一门新学科［1-3］。FLUENT是通用CFD软件，用于模拟不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。

由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格、基于解的自适应网格技术和成熟的物理模型，使FLUENT在湍流、传热、相变、化学反应、燃烧、多相流、旋转机械、动变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用［4-6］。

1 对流换热理论基础

将实际模型转化为物理模型进行仿真分析时，需要对一些次要因素进行简化分析，这样才能排除次要因素带来的干扰，便于更好地研究模型的特征和性能。笔者研究的是圆筒件内流体稳定时的流动特性与传热特性，因此整个过程认为是稳态过程，采用FLUENT稳态求解。仿真所采用的圆筒件内流动介质为水，入口流速取值较低，由压力变化而引起的密度变化不大，因此可认为管内流动为不可压流动，基于应力求解器进行求解。整个仿真过程中不考虑重力对圆筒件内流体的影响。

对流换热是由于两个完全接触的物体或一个物体不同部分之间存在温度梯度而引起自由电子移动的结果，研究对流换热的实质是研究物体内存在温差时各部位温度随时间的变化规律，可表示为［7］：

式中：q为热流密度；Q为热量；A为换热面积；t为换热时间；k为热导率；T为换热温度；L为换热物体的长度。

热对流指物体表面与周围接触的介质之间由于存在温差使运动质点发生相对位移进而引起能量转移的现象，可以表示为：

式中：T0为物体换热前温度；α为对流传热系数，与流体的温度、比热、流速、密度、热导率、黏度等有关。

2 圆筒件计算模型

GAMBIT是为了帮助分析者和设计者建立并网格化CFD模型而设计的软件，通过用户界面来得到用户的输入，可以实现建模、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤。GAMBIT在ACIS内核基础上具有全面三维几何建模能力，通过多种方式可直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力。ACIS内核提高为ACIS R12后，大大领先于其它计算机辅助工程软件的前处理功能，可对自动生成的Journal文件进行编辑，自动控制修改或生成新几何体与网格［11-15］。利用GAMBIT建立圆筒件计算模型，如图1所示。具体参数设定见表1。

3 圆筒件内液体对流换热数值分析

3.1 求解步骤

FLUENT的前处理功能用于生成网格，可对结构化或非结构化网格进行求解，同时具有强大的后处理能力。具体求解步骤如下：①确定几何形状，生成计算网格；②选择二维或三维模式进行模拟计算；③输入网格；④检查网格；⑤ 选择求解功能；⑥ 选择求解的方程；⑦ 确定流体物理特性；⑧ 设定边界条件；⑨ 流场初始化；⑩根据各参数进行计算，检查结果，并进行后处理［16］。

表1 计算模型参数设定

▲图1 圆筒件计算模型

3.2 网格生成

采用结构化网格方法的优势在于其很容易地实现区域的边界拟合，网格生成速度快、质量好、数据结构简单，易于生成物面附近的边界层网格，有许多成熟的计算方法和较好的湍流计算模型。

对于不同的复杂外形，必须构造不同的网格拓扑结构，因而无法实现网格的自动生成，生成网格费时费力。结构化网格比较明显的缺点是适用范围较窄，只适用于形状规则的图形，其发展的方向是减少工作量，实现网格的自动生成、自适应加密，具有良好的人机对话和可视功能，具有良好的接口功能，注重更有效的数据结构等。

根据圆筒件结构，进行网格生成，如图2所示。为了验证模型的正确性，进行迭代，在迭代200次后计算收敛，确认模型的正确性。迭代残差曲线如图3所示。

▲图2 网格生成

3.3 计算结果后处理

入口A处和B处的速度均为1 m/s时，温度分别为280 K和320 K。入口A处通入冷水，入口B处通入热水，采用填充方式进行迭代后，出口C处的温度为260 K左右，如图4～图6所示。沿Z轴方向温度分布曲线如图7所示。入口A处和B处的压力均为2 240 Pa时，采用填充方式进行迭代后，出口C处的压力约为-2 170 Pa，如图8～图10所示。水平面速度矢量图如图11所示，竖直面速度矢量图如图12所示。