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圓管層流入口段耦合換熱的數值模擬研究(一)

點擊:1380 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  在對流換熱的數值模擬中,除一階差分格式外,QUICK格式是近年來應用較普遍的一種差分方案,它通過提高界面上插值函數的階數來減小截斷誤差[1].國內外的一些學者已對QUICK格式進行了考察驗證與改進[2~4],作者也曾采用該差分格式對圓管層流入口段流場進行了數值模擬,并與一階差分格式的計算結果進行了比較,發現二者結果有一定的差別[5].本文進一步分析在圓管層流入口段輻射-對流耦合換熱數值模擬中,采用QUICK與一階差分格式對計算結果的影響;同時細致地了解耦合過程中的熱輸運特點.1 物理模型及控制方程如圖1所示,考慮圓管入口段參與性介質的輻射與對流穩態耦合換熱.介質為常物性不可壓縮牛頓流體,流動為二維軸對稱層流正在發展流,不考慮體積力作用,忽略粘性耗散效應,并將管壁面及出、入口截面均視為黑體表面.該耦合換熱過程的通用控制方程可表示為2 數值求解采用SIMPLEC算法分別求解流場與溫度場.在交錯網格上采用控制容積法離散控制方程,得到以下形式的通用離散方程:aPP=aEE+aWW+aNN+aSS+b.式中:各系數與源項b的具體形式取決于所采用的差分格式,這里分別采用了一階差分的指數格式與文獻[4]中的QUICK格式[4,5].采用蒙特卡羅法求解輻射換熱.介質內某一離散單元ΔVi的輻射換熱源項QVi為3 結果與分析采用上述數值方法對管內層流入口段吸收性質的二維穩態輻射與對流耦合換熱進行模擬計算,對流擴散項離散分別采用一階差分的指數格式與二階差分的QUICK格式.介質的物性參數為:ρ=0 4kg/m3、cp=1114J/(kg·K)、μ=0 4×10-4kg/(m·s)、Pr=0 7;入口溫度Tin=600K.管內徑D=0 1m、管長L=1 5m、壁面溫度TW=1000K.計算域的離散網格數為400×40,流場收斂準則為R(k)p/(ρinuinA)≤10-8,其中分子為壓力修正方程中余量的范數;溫度場收斂準則為前后兩次迭代相對誤差3 1 差分格式對速度場計算結果的影響采用QUICK格式與指數格式獲得的管內無量綱軸向速度分布如圖2所示.由邊界層理論可知,入口段邊界層的發展,對管中心勢流區產生排擠作用[5].由于這種排擠效應不可能瞬時傳遞到整個截面,使得在靠近管壁的位置處存在一個速度峰值;當流動雷諾數增加時,這種排擠效應增強.由圖2可知,二階差分的QUICK格式模擬結果反映了管內入口段流動的排擠效應,而一階差分的指格式不能反映這種效應,模擬結果產生了差別,著流動雷諾數增加,二者的差別增大(見圖3).
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