1、沈阳化工大学学士学位论文论文题目：张小岑热能 0901091101122内容摘要3第一章 文献综述1.1 课题背景螺旋管因其具有传热效率高、加工制作方便等优点，在高效蒸汽发生器和冷却器、核反应堆、电站锅炉、船舶动力、石油化工、航天航空、微电子器件冷却、先进燃料电池系统冷却、食品制药、以及制冷与低温技术等领域得到了非常广泛的应用螺旋流道作为一种强化换热通道，由于其结构紧凑，广泛应用于动力、石油和化工等换热设备中fl.流体在螺旋管内流动时，由于离心力的作用，会在垂直于主流方向的横截面上产生二次流，二次流相对于轴向主流速度在数量级上虽然较小，但其与轴向主流复合成螺旋式的前进运动，破坏了边界层，强化了
2、换热，因此研究螺旋流道内流场结构及换热特性对工程实际应用具有重要的意义。1.2 螺旋管的研究现状到目前为止，国内外已对管内两相流动与传热进行了长期的研究探索，但大部分研究是以水一空气或水一水蒸汽为工质对直管进行的，许多关于直管内的两相流流型、空隙率、流动阻力和传热特性的数据和计算关联式己被业内人士广泛认可和应用。我国西安交通大学在这方面进行了长期系统的研究，取得了显著的成果。而对矩形螺旋管内的两相流动与传热的研究则非常少，现有的一些文献主要是关于矩形螺旋管内的凝结传热特性的研究，少数的关于矩形螺旋管内流动沸腾特性的研究，而关于矩形卧式螺旋管内两相流极为少见。1974 年，美国加利福尼亚大学的
3、Rowland 教授和他的博士后 Molina13在“自然”杂志上发表文章，指出正在广泛使用的 CFC 类制冷工质会消耗地球周围的臭氧层，对地球生物和人类带来危害。之后，对螺旋管和其它环保制冷工质的两相流动与传热特性的研究，以及以螺旋管为实验工质进行的模化研究得到了国内外广泛的重视，也已取得了不少的成果，大多数也是针对直管进行的。从上世纪初以来，很多学者对螺旋管内的单相流动与传热进行了实验研究，也有一些关于螺旋管和其它曲线管内单相流动与传热的数值模拟研究的文献报道。但对于螺旋管内的两相流动与传热特性的研究相对较少，并且其中多数是针对4空气一水或水一水蒸汽进行的。圆形螺旋风管系采用宽为 1 Oc
4、m 的被锌俐带绕制成，有单层与两层风管中夹保温材料构成的双层保温风管两种型式.圆形螺旋风管的摩擦阻力的大小决定于咬口接缝制作模具.实验曲线表明:由于各种口径风管的制作模具不同，所以摩擦阻力曲线排列无理论规律，必须对其各别测定.另外又 rIE 明，Ii 115 螺淀风管覃漆阻灯虽咯大千普通镀锌 ill 板摩阻，但很接近.目前此风管月多于船用空调系统。众所周知，在通风空调工程中应用的通风管道内，其空气流动状态，绝大多数是在过渡区域内，风速为 5 -40m/s 范围内.因此当雷诺数 Re 与风管直径 D 为定值时，入值主要取决于风管表面的粗糙度 K 值.由于圆形螺旋风管是采用宽为l0cm 的镀锌钢带
5、制成，整个风管具有螺距为 l0cm 的咬口接缝，所以粗糙度 K值不能简单采用材料表面的绝对粗糙度，应考虑咬口接缝的影响因素，而应采用当量水力粗糙度表示。因此咬口接缝加工的质量，直接影响到当量水力粗糙度数值的大小，亦即影晌螺旋风管的摩擦阻力系数.由于各生产厂家的加工水平与选用材料不同，所以要对各厂生产的螺旋风管进行摩擦阻力的实验研究，取得其摩擦阻力系数，制作计算图表，以供用户使用。由于流场特性主要取决于流道结构和操作参数，因此，由于截面形状不同，三角形流道内流体的流动特性肯定有别于其他截面形状的螺旋流道.同时在实际的工程应用中，也存在三角形螺旋流道的典型应用，如角钢夹套，它是将角钢螺旋缠绕焊接在
6、筒体状容器的外侧，角钢与筒体外壁构成一个三角形截面螺旋流道，流道内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料。与半圆形螺旋流道流体流动的阻力相比，当 Re 数相同且半圆形螺旋流道螺距、曲率半径及当量直径按模型 1 取值时，三角形螺旋流道的阻力较小，流体流动性能好，且随 Re 增大，三角形螺旋流道的优势愈加明显.在所研究的 Re 范围内，三角形螺旋流道的阻力系数厂为半圆管螺旋流道阻力系数的 84.1%-99.5%.螺旋管由于其结构紧凑和高换热性能等特点，在发电机组、核电设备、制冷和食品加工等工业场所被作为热交换器的基本结构而广泛使用。与直管相比，螺旋管具有较高的对流换热效率。人们对圆形横截面螺
7、旋管已经进行了一系列的5理论、数值及实验研究。采用数值分析方法，研究了扭矩对矩形截面螺旋管内充分发展态层流流动的影响。结果表明，螺旋管的曲率及扭矩是影响层流换热性能的主要参数。在航空航天领域，如航空发动机、火箭发力机以及冲压发动机的冷却系统中，矩形横截面内螺旋管冷却结构由于加工技术相对简单，已被广泛使用。目前，对于矩形横截面螺旋管的研究仗部分局限于层流流动，对于湍流的研究非常有限。1.3 本课题的研究方向学会使用 Cambit 和 Fluent 软件，使用6第二章 Gambit 和 Fluent 软件的介绍由于我需要学习FLUENT来做毕业设计，王老师给了我一本书，王瑞金的FLUENT技术基础
8、与应用实例 ，当然，学这本书之前必须要有两个条件：第一，具有流体力学的基础，第二，有FLUENT安装软件可以应用。然后就照着书上二维的计算例子，一个例子，一个步骤地去学习，然后学习三维，再针对具体你所遇到的项目进行针对性的计算。不能急于求成，从前理器GAMBIT，到通过FLUENT进行仿真，再到后处理，如TECPLOT，进行循序渐进的学习，坚持，效果是非常显著的。如果身边有懂得FLUENT的老师，那么遇到问题向老师请教是最有效的方法，碰到不懂的问题也可以上网或者查找相关书籍来得到答案。2.1Gambit软件的介绍 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
9、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、CATIA、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
10、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。2.1.1Gambit软件的特点 ACIS 内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS 内核已提高为 ACIS R
11、12。该功能大大领先于其它 CAE 软件的前处理器；7 可对自动生成的 Journal 文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格； 可以导入 PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN 等大多数CAD/CAE 软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证 GAMBIT 与 CAD 软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量； 新增 PRO/E、CATIA 等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便； 强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去
12、除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度； G/TURBO 模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格； 强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等 CFD 特殊要求的高质量网格。GAMBIT 中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格； 先进的六面体核心(HEXCORE)技术是 GAMBIT 所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量； 居于行业领先地位的尺寸函数（Size function）功能可使
13、用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足 CFD 分析的需要； GAMBIT 可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格； 新版本中增加了新的附面层网生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格； 可为 FLUENT、POLYFLOW、 FIDAP、ANSYS 等解算器生成和导出所需要的网格和格式。2.1.2 Gambit 的操作步骤步骤 1：启动 Gambit 软件步骤 2：文件的创建及求解器的选择步骤 3：创建控制点步骤 4：创建边步骤 5：创建面步骤 6：体的创建步骤 7：实体
14、网格的划分步骤 8：边界条件类型的指定步骤 9：Mesh 文件的输出82.2 Fluent 软件的介绍Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能。CFD 商业软件 FLUENT，是通用 CFD 软件包，用来模拟从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，因而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和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使 FLUENT 在转换与湍流、传热与相变、
15、化学反应与燃烧、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。目前与 FLUENT 配合最好的标准网格软件是 ICEM，而不是早已过时的 GAMBIT。2.2.1 Fluent FLUENT 软件特点(1) Fluent 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；(2)定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； (3) Fluent T 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重
16、生式。其局部网格重生式是 Fluent 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；(4) Fluent 软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT 软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；(5) Fluent 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；(6) Fluent 软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含 Sp
17、alart-Allmaras 模型、k- 模型组、k- 模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和 V2F 模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；9(7)适用于牛顿流体、非牛顿流体；含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；化学组份的混合/反应；(8)自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型；风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型(9)离散相的拉格朗日跟踪计算；非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）
18、；惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；动静翼相互作用模型化后的接续界面；基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；质量、动量、热、化学组份的体积源项；丰富的物性参数的数据库；(10)磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；(11)高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置 MPI 并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT 特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；(12) Fluent 软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；(13) Fluent FLUEN
19、T 软件采用 C/C+语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。(14)在 CFD 软件中，Fluent 软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent 的软件设计基于“CFD 计算机软件群的概念“,针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了 Fluent Dynamical International 比利时 PolyFlow和 Fluent Dynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法 CFD 软件方面领
20、先的公司 ),因此 Fluent 具有以上软件的特点。2.2.2 Fluent 的求解器求解步骤 1：Fluent 求解器的选择步骤 2：网格的相关操作步骤 3：选择计算模型步骤 4：定义流体的物理性质步骤 5：设置边界条件步骤 6：求解方法的设置及其控制步骤 7：Tecplot 后处理10第三章 Fluent 实例简介一、模拟实验目的和内容本模拟实验的目的主要有 3 个：（1）学生初步了解并掌握 Fluent 求解问题的一般过程，主要包括前处理、计算、后处理三个部分。 （2）理解计算机求解问题的原理，即通过对系统进行离散化，从而求解代数方程组，求得整个系统区域的场分布。 （3）模拟系统总的传
21、热量并与傅立叶导热定律的求解结果相比较，验证数值模拟的可靠性。实验内容主要包括：（1）模拟一维稳态导热平板内的温度分布。 （2）模拟一维稳态导热总的传热量。二、实例简介 htc图 1-1 导热计算区域示意图xy如图 1-1 所示，平板的长宽度远远大于它的厚度，平板的上部保持高温 ，平板的下ht部保持低温 。平板的长高比为 30，可作为一维问题进行处理。需要求解平板内的温度分ct布以及整个稳态传热过程的传热量。三、实例操作步骤1. 利用 Gambit 对计算区域离散化和指定边界条件类型步骤 1：启动 Gambit 软件并建立新文件在路径 C:Fluent.Incntbinntx86 下打开 gambit 文件（双击后稍等片刻） ，其窗口布局如然后是建立新文件，操作为选择 FileNew 打开对话框。在 ID 文本框中输入 onedim 作为文件名，然后单击 Accept 按纽，在随后显示的对话框中单击 Yes 按纽保存。步骤 2：创建几何图形选择 Operation Geometry Face ，打开对话框。在 Width 内输入 30，在 Height 中输入 1，在 Direction 下选择+X+Y 坐标系，然后单
