数值传热学大作业

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1、数值传热学大作业燃烧室出口换热与流动的数值模拟学院专业班级学号姓名燃烧室出口换热与流动的数值模拟摘要：本文针对稳态、层流、常物性的燃烧室出口的换热与流动问题，采用商业软件FLUENT进行了数值模拟。通过数值模拟，本文得到了温度分布和速度分布，计算得到三种流体各自的换热量以及漏斗状壁面两侧烟气和空气的局部的表面对流换热系数。1物理问题描述某圆柱形燃烧室出口截面结构如图1-1所示，燃烧产生的高温烟气从燃烧室流岀后在图1标号为①的位置进入图中漏斗结构，最终从②流出。冷却水从标号为⑤的位置进入“水套”结构，山⑥流出；常温空气从标号为③的位證流入空气流道，分别与高温烟气和冷却水发生热

2、交换，最终从④流出。图1T燃烧家出口结构：①烟气入口；②烟气出口；③空气流道入口；④空气流道出口⑤冷却水入口；⑥冷却水出口表1给出了该结构的几何参数,漏斗状的结构（图1中标号为A的结构）、水套（图1中标号为B的结构）的壁厚均为5mm,材料为钢，过程是稳态。给定工况和给左的流体参数如表2所示：表1儿何参数Dl/mniD2/nunD3/mmLl/mniL2/mmL3/mn)246022621220814124445表2工质工矿与流体参数入口温度/°CP!kg•c“/J•kQ•K-'2/W肿K"yiPas质量流量/kg1h髙温烟气17000.2312900.116.57x10s1

3、85空气151.5310100.0251.78X10'5200冷却水20100041800.6IxlO320000钢14.2为了方便计算，在数值模拟中，木文做了一些假设：（1）流体的物性都是固定的；（2）流体中的粘性耗散度忽略不计；（3）流动及换热处于稳态、层流、充分发展状态；（4）假设流体流动过程中不存在热辐射的情况。2控制方程及求解方法考虑几何对称性,将问题简化为一个2D模型，则该问题中的控制方程如下。连续性方程：包+空“dxdy动量方程：dudu1dp0认u—+v—+r（—-+—）dxdypdxdx^dy^dvdvIdpd2vd2v.u—+v—+W—+―）Oxdypd

4、ydx2dy2能量方程：dTdT丹、m—+v——=a（—+—）dxdydx2dy本文采用了SIMPLE算法进行求解。SIMPLE算法自1972年问世以来在世界各国计算流体力学及计算传热学界得到了广泛的应用，这种算法提出不久很快就成为计算不可压流场的主要方法，随后这一算法以及其后的各种改进方案成功的推广到可压缩流场计算屮，已成为一-种可以计算任何流速的流动的数值方法。SIMPLE算法的基木假设：速度场的假定与压力场的假定各自独立进行，二者无任何联系。对假定压力场的修正通过已求解的速度场的质量守恒条件得到。中间速度通过求解当前压力得到，如果求解速度不能满足质量守恒条件，对过对压

5、力添加一个修正量修正，速度场也随之得以修正。第二假设：在做速度修正时，忽略不同位置的速度修正量之间的影响。SIMPLE算法的具体步骤如下：(1)假定一个速度分彳

6、juO,vO,以此计算动量离散方程的系数与常数项。⑵假定一个压力场p*。(3)利用p*求解动量离散方程，得出u*、v*0(4)求解压力修正值卩。(5)利用p，及u*>v*求改进速度值u^V。(6)根据改进后的速度求解离散方程系数及源项屮有影响流场的其他物理量。(7)用改进后的压力场作为下一次迭代的P*,直至迭代收敛。3网格划分及数值模拟本文采用结构化网格，选择使用TCEM软件來划分网格。运用成熟的商业软件FLUEN

7、T來进行数值模拟。求解方法采用SIMPLE方法，压力离散方式选用Standard格式，动量和能最离散格式选用QUICK格式。松弛因子全部设为0.3。初始化方法选用HybridInitializationo4计算结果经数值模拟收敛后得到温度分布图和速度分布图分別如图4T和图4-2所示。图4-1温度分布图ANStS1803^0031636^003VetocityVectori■3327e4»12495e-0011M3e^0183仃“002■0000e*000(msA-1)图4-2速度分布图经过计算可得烟气换热量为5906W,空气换热址为5854W,水换热量为44W,烟气和空气与

8、壁面的平均局部的表面对流换热系数分别为10.1139w/m2・K和9.779w/m2・K参考文献：[1]陶文絵编著•数值传热学[M].西安交通大学出版社,2001