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矩形窄微通道流动与换热特性数值研究

作　者: 兰荣华
导　师: 田瑞峰
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: 矩形通道 阻力系数 换热性能 数值方法
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 96次
引　用: 1次
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内容摘要


为了解矩形通道内的流动及换热特性,本文采用数值方法,研究了不同计算模型、当量直径以及入口条件下,矩形小通道及微通道内流体的流动和换热规律。首先,论文对0.6×0.8×300mm矩形小通道进行了数值模拟,比较了不同流动模型、不同差分格式、不同y+和不同的进出口长度下流动与换热的计算值与实验值,并对其进行了详细分析。结果显示,层流流动时,层流模型在使用High Resolution差分格式的计算结果较接近实验值,湍流流动时,Eddy Viscosity Transport模型在使用二阶迎风格式的计算值和实验值最为接近；不同y+对计算结果影响不大；Nu、阻力系数随长径比增大而减小。其次,选用当量直径相同,截面形状不同的五种矩形小通道,以单相水为工质,进行了流体阻力与换热研究。计算发现,高宽比越大的矩形小通道,换热效果越好,但阻力系数越大；流体通道壁面粗糙度越大,换热性能越好,阻力系数也越大；不同的加热热流密度对流体流动换热影响不大；而入口温度越高,换热性能越差,阻力系数越大；在入口流量随时间做周期性波动时,换热效果也随入口流量做相应的周期性波动,但阻力系数随入口流量波动呈相反的周期性变化；入口流量发生波动时,矩形小通道的压差波动的相位差要小于矩形常规通道,矩形常规通道的压差与流量波动的同步性要比圆形常规通道好。最后,从已有实验数据与矩形微通道内流体流动与换热特性的数值计算结果对比分析中发现,矩形小通道内流体流动换热的数值计算方法也适用于矩形微通道内流体流动换热的数值计算。数值计算结果表明,当矩形微通道内的流体从层流流动向湍流流动转变时,其转捩点所对应的雷诺数比矩形小通道小一些；加热热流密度对通道内流体的换热性能和阻力系数无大的影响；随流体入口温度升高,通道的换热效果变差,阻力系数增大。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-21
  1.1 课题的研究意义  11-12
  1.2 窄微通道的划分标准  12
  1.3 国内外的研究现状  12-20
    1.3.1 窄微通道流动和换热的实验研究  12-16
    1.3.2 窄微通道流动和换热的数值研究  16-20
  1.4 本文的研究内容  20-21
第2章 数值计算方法及软件简介  21-40
  2.1 计算流体动力学的概述  21-23
    2.1.1 计算流体动力学简介  21-22
    2.1.2 计算流体动力学的工作步骤  22-23
  2.2 描写流动与传热的控制方程  23-27
    2.2.1 质量守恒方程  23-24
    2.2.2 动量守恒方程  24-25
    2.2.3 能量守恒方程  25-26
    2.2.4 控制方程的通用形式及离散  26-27
  2.3 数值解法的简介  27-37
    2.3.1 常用的数值解法  27-29
    2.3.2 层流流动的数值模拟方法  29
    2.3.3 湍流流动的数值模拟方法  29-37
  2.4 ANSYS软件简介  37-39
    2.4.1 ICEM CFD软件介绍  37
    2.4.2 网格划分的基本原则  37-38
    2.4.3 CFX软件的介绍  38
    2.4.4 CFX软件的构成  38-39
    2.4.5 求解过程  39
  2.5 本章小结  39-40
第3章 矩形小通道内的流动及换热特性研究  40-67
  3.1 物理模型与网格拓扑  40-42
    3.1.1 物理模型  40-41
    3.1.2 网格拓扑  41-42
  3.2 各因素对数值结果的影响  42-50
    3.2.1 不同流动模型的影响  42-45
    3.2.2 对流项差分格式对模拟结果的影响  45-46
    3.2.3 y+对计算结果的影响  46-48
    3.2.4 进出口延伸段长度对数值模拟结果的影响  48-50
  3.3 相等当量直径的矩形小通道的流动与换热研究  50-66
    3.3.1 物理模型的建立  50
    3.3.2 截面形状对流动及换热的影响  50-53
    3.3.3 壁面粗糙度对流动及换热的影响  53-55
    3.3.4 加热热流密度对流动与换热的影响  55-57
    3.3.5 流体入口温度对流动与换热的影响  57-59
    3.3.6 入口流量波动对流动及换热的影响  59-61
    3.3.7 入口流量波动时通道尺度对流动的影响  61-66
  3.4 本章小结  66-67
第4章 矩形微通道流动和换热特性研究  67-76
  4.1 物理模型  67-68
  4.2 网格拓扑  68
  4.3 各种因素对计算的影响  68-75
    4.3.1 计算模型对计算的影响  68-70
    4.3.2 对流项差分格式对流动与换热计算影响  70-72
    4.3.3 加热热流密度对矩形微通道流体流动换热的影响  72-73
    4.3.4 入口流体温度对矩形微通道流体流动与换热的影响  73-75
  4.4 本章小结  75-76
结论  76-77
参考文献  77-81
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  81-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 热力工程、热机 > 热力工程理论 > 传热学
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