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圓管層流入口段耦合換熱的數值模擬研究(二)

點擊:1478 日期:[ 2014-04-26 22:55:14 ]
作者:任德鵬,夏新林,談和平摘 要:采用控制容積法與蒙特卡羅法對圓管層流入口段參與性介質的輻射-對流耦合換熱進行了數值模擬研究.在對流-擴散項的離散中,分別采用了一階差分的指數格式與二階差分的QUICK格式.通過模擬計算,比較分析了兩種差分格式的結果差別,考察了入口段耦合換熱的溫度場、徑向導熱熱流場以及對流換熱壁面熱流與努謝爾數的分布特征.研究表明,入口段速度邊界層發展對勢流區的排擠效應對耦合換熱有明顯影響,采用QUICK格式能夠模擬這一現象,而一階差分格式不能,后者過高地估計了對流換熱強度;輻射換熱在抑制對流換熱作用的同時,使兩種差分格式的模擬結果呈現偏差的區域由入口附近向出口方向擴展.關鍵詞:耦合換熱;層流入口段;差分格式 3 2 差分格式對溫度場計算結果的影響首先,不考慮管內的輻射換熱作用,考察差分格式對對流換熱溫度場計算結果的影響,如圖4所示.圖5則給出了介質的吸收系數不同時,差分格式對輻射與對流耦合換熱溫度場計算結果的影響.可以看出,無論是哪種情況,由不同的差分格式計算的溫度場都稍有不同.由圖4可見,在靠近入口的截面上,由QUICK格式得出的壁面附近溫度要高于指數格式的結果,而在離壁面稍遠的區域,情況相反;隨著離開入口距離的增加,溫分格式對輻射與對流耦合換熱溫度場計算結果的影響.可以看出,無論是哪種情況,由不同的差分格式計算的溫度場都稍有不同.由圖4可見,在靠近入口的截面上,由QUICK格式得出的壁面附近溫度要高于指數格式的結果,而在離壁面稍遠的區域,情況相反;隨著離開入口距離的增加,合換熱,采用兩種差分格式所得出的溫度場的偏差很小.同樣,由于輻射換熱的全場性,耦合換熱的溫度場發展比純對流換熱的溫度場發展以及速度場的發展都明顯加快.3 3 截面內的徑向導熱熱流分布截面內的徑向熱流輸運對管內入口段的換熱起著重要作用,圖7給出了采用兩種差分格式時,對流換熱與耦合換熱的截面徑向導熱熱流分布.  由圖7(a)、(b)可知,入口段對流換熱中,截面內的徑向導熱熱流分布很不均勻,離入口越近,其不均勻性越強.由壁面向管中心,截面內的徑向導熱熱流先增大后減小,在離壁面較近的位置出現峰值.隨著Re數增大,壁面及附近的徑向導熱熱流增大、對流換熱增強,與圖4結果相對應.在對應截面內,采用QUICK格式得出的熱流密度普遍低于采用指數格式的結果,說明一階差分格式給出的對流換熱強度略高,在入口附近這種偏差較大.  比較圖7(c)、(a)可知,當介質的輻射能力較弱時,入口段輻射與對流耦合換熱的截面內徑向導熱熱流分布與純對流時的規律基本一致,僅僅是熱流密度略微變小,這反映了輻射換熱對對流換熱的抑制作用.當介質的輻射能力較強時,如圖7(d)所示,耦合換熱的截面內的徑向導熱熱流分布與前三者有明顯區別,截面內的徑向導熱熱流最大值出現在壁面處.壁面處的導熱熱流進一步減小,對流換熱作用降低;而兩種差分格式的結果差別與前幾種情況類似.3 4 耦合換熱中的對流換熱作用流體與壁面的對流換熱強度可通過壁面處的徑向導熱熱流密度(等于對流換熱熱流密度)與努塞爾數來描述.圖8給出了純對流換熱與耦合換熱中壁面處徑向導熱熱流密度的軸向分布;圖9是相應條件下,壁面上對流換熱局部努塞爾數的軸向分布.由圖8(a)可見,在入口附近數倍管徑長度的區域,壁面處的徑向導熱熱流很大,隨著離開入口距離的增加,該熱流迅速減小;Re數增加,提高了壁面處的徑向導熱熱流,增強了對流換熱能力.圖9(a)中局部努塞爾數的分布反映了相同的換熱規律.  由于輻射換熱的抑制作用,耦合換熱中的壁面處徑向導熱熱流相應減小,但其軸向分布規律與純對流換熱相同,如圖8(b)所示.當介質的輻射能力較強時,耦合換熱中的對流換熱努塞爾數  分布表現出與壁面熱流分布不一致的規律,見圖9(b),這是因為輻射換熱作用較強時,介質的截面平均溫度與壁面溫度迅速接近,此時的努塞爾數已不能準確地反映耦合換熱中的對流換熱作用,需綜合采用努塞爾數和熱流密度進行評價,這與文獻[6]結論一致.同時,圖9(b)中兩種差分格式的較大差別,說明對溫度場的微弱變化,二階差分的QUICK格式比一階差分的指數格式更敏感.4 結 論1)在管內層流入口段,速度邊界層發展引起的對中心勢流區的排擠效應,對耦合換熱及對流換熱都有明顯作用.在數值計算中采用二階差分的QUICK格式能夠模擬出這種效應,而一階差分格式不能.隨Re的增大,排擠效應及兩種差分格式的結果差別趨于明顯.2)一階差分格式過高地估計了對流換熱能力,但除離入口很近的區域外,一階差分格式的結果偏差較小,約為1%.輻射換熱的全場性使兩種差分格式的偏差由主要發生在入口附近擴展到遠離入口的截面,截面內的溫度分布與徑向熱流分布特征也發生明顯變化,但總體偏差變化不大.3)輻射換熱促進了耦合換熱的溫度場發展,使其超過速度場的發展,在一定程度上抑制了對流換熱作用.當介質輻射能力較強時,對流換熱溫差迅速減小,采用努塞爾數已不能準確地反映耦合換熱中的對流換熱能力,需與壁面熱流密度分布結合進行綜合評價,與文獻[6]中的結論一致.參考文獻:[1]陶文銓.數值傳熱學(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社,2001.165-167.[2]楊 茉,李雪恒,陶文銓.QUICK與多種差分方案的比較和計算[J].工程熱物理學報,1999,20(5):593-597.[3HAYASET,HUMPHREYJAC,GRIFR.Aconsistentlyformulatedquickschemeforfastandstableconvergenceusingfinite-volumeiterativecalculationprocedures[J].JofComputationalPhysics,1992,98:108-118.[4]HANT,HUMPHERYJAC,LAUNDERBE.Acom parisonofhybridandquadraticupstreamdifferenceinhighreynoldsnumberellipticflows[J].CompMethApplMechEng,1981,29:81-95.[5]任德鵬,夏新林,談和平.圓管層流入口段數值模擬的差分格式與出口邊界條件研究[J].工程熱物理學報,2003,24(4):673-675.[6]夏新林,黃 勇,劉順隆,等.高溫下加熱/冷卻管內參與性介質的輻射與對流耦合換熱研究[J].航空動力學報,2001,16(4):370-375.
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