顺序6论文正文自然界和工程技术问题中存在着大量因为温度差引.docx
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顺序6论文正文自然界和工程技术问题中存在着大量因为温度差引
1绪论
1.1引言
自然界和工程技术问题中存在着大量因为温度差引起的密度差异,最终导致流体发生运动的现象,大到影响整个地球环境和气候变迁的大气层环流,海洋中的洋流,小到生活中每天用的电冰箱的冷却器,冬季采暖的散热器,以及工业上许多未加强迫流动措施的散热装置,像电力变压器,架空热力管道和输电线,以及大量电子元器件的肋片式散热器,电厂内的蒸汽管道,换热站的换热器,以及在锅炉的空气预热器中,等等。
某些场合,自然对流散热可能成为能否保证设备安全的关键因素,更重要的是,在某些场合,自然对流换热可能成为保证人身设备安全的关键因素,例如核反应堆的失水事故始终是对人员和设备安全最重要的潜在威胁之一,要保证绝对安全,就必须做到即使在满负荷情况下突然停泵,没有冷剂补充也不执行任何人工操作,靠一回路流体的自然对流也能把堆芯的剩余衰变热量带出来,使堆芯不致出现过热。
在没有强制的流动速度而流体内仍存在对流流动的情况,这种情况称之为自由运动或自然对流。
因为自然对流牟流速一般远小于强迫对流的相应的速度,相应的对流传递速率也小,这也许会使人们认为自然对流过程不大重要。
其实应消除这种误解,在许多含有多种传热效应的系统中,自然对流引起的传热热阻最大,并且在一些工程应用上还必需用自然对流而非强迫对流,比如空气中的输电线,而且自然对流不用投入一些动力,而是流体本身密度差引起的,所以可以降低运行费用。
自然对流有很多用途,它在很大程度上影响管道,输电线路以及各种电子设备上的散热,自然对流都很重要的,自然对流也与环境科学有关,在环境科学中自然对流引起海洋和大气运动,并影响与之有关的热量交换和质量交换过程。
1.2对流传热的定义及分类
1.2.1对流传热的定义
热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷,热流体相互掺混所导致的热量传递过程。
热对流仅发生在流体中,而且由于流体中的分子同时在进行着不规则的热运动,因而对流必然伴随有热传导现象。
工程上特别感兴趣的是流体流过物体表面是流体与物体表面之间的热量传递过程,并称之为对流传热[1]。
流体流过固体表面时流体与固体间的热量交换称为对流传热。
对流传热的换热量用牛顿冷却公式计算。
对单位面积有
thq∆=
(1-1其中h为表面传热系数,△t为壁面温度和流体温度的温度差,q为热流密度,单位是w/m2·k。
对于面积为A的接触面
mtAh∆=Φ(1-2
其中h为对流传热表面传热系数,△tm为换热面A上流体与固体表面的平均
温度差。
工程计算中无论流体被冷却还是被加热,化热量总是取正值,因此△t及△tm也取正值。
表面传热系数的大小与对流传热过程中的许多因素有关。
它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形状,大小与布置,而且还与流速有密切的关系。
在表1-1中给出了几种对流传热过程表面传热系数数值的大致范围[1]。
表1-1对流传热表面传热系数的大致范围
1.2.2对流传热的分类
对流传热现象可以分为有相变与无相变的对流传热。
在有相变对流传热中可分为沸腾传热和凝结传热。
沸腾传热可以分为大容器沸腾传热和管内沸腾传热。
凝结传热可分为管外凝结传热和管内凝结传热。
在无相变的对流传热中可分为混合对流、强制对流与自然对流。
强制对流可分为内部流动传热与外部流动传热。
自然对流传热可分为大空间自然对流传热和有限空间自然对流。
1.3研究对流传热的意义
求解对流传热问题的工程目的,是要得出对流换热表面传热系数的计算规
律。
为了得出,关键是要获得流体中的温度分布。
因而从传热学的基本原理来说求解导热与对流传热问题的实质都是要获得物体中的温度场。
只是对于对流传热,由于理论求解是用非线性偏微分方程,其难度很大,因此主要采用实验测定的方法。
而封闭空腔内的自然对流换热是数值传热学里的经典课题,这种流动属于作用密度梯度上的体积力引起的一种浮力诱发运动,而密度梯度本身又因为流体里的质量浓度梯度与温度梯度或二者之一所引起,其所描述的现象在许多工程实践中都能遇到,因此精确分析各种条件下的封闭空腔内的自然对流换热问题具有重要的实用价值[2]。
1.4对流传热的影响因素
影响对流传热的因素就是影响流动的因素及影响流体中热量传递的因素。
这些因素归纳起来可以分为以下五个方面。
(1流体有无相变
在流体没有相变时传热中的热量交换是由于流体显热的变化而实现的,而在有相变的换热过程中(如沸腾或凝结,流体相变热(前热的释放或吸收常常起主要作用,因而传热规律与无相变时不同。
(2流体的流动状态
流体力学的研究已经查明,粘性流体存在两种不同的流态——层流和湍流,层流时流体微团沿着主流方向作规则的分层流动,而湍流时流体各部分之间发生剧烈的混合,因而在其他条件相同时湍流传热的强度自然要较层流时强烈。
(3换热表面的几何因素
这里的几何因素指的是换热表面的形状、大小、换热表面与流体运动方向相对位置以及换热表面的状态(光滑或粗糙,例如图1-1(A所示的馆内强制对流流动与流体横掠圆管的强制对流流动是截然不同的。
前一种是管内流动,属于所谓内部流动的范围;后一种是外掠物体流动,属于所谓外部流动的范围。
这两种不同流动条件下的换热规律必然是不相同的。
在自然对流领域里,不仅几何形状,几何布置对流动赤有决定性影响,例如图1-1(B所示的水平壁,热面朝上散热的流动与热面朝下散热的流动就截然不同,它们的换热规律也是不一样的[1]。
(A
(B
图1-1几何因素的影响
(4流体的物理性质
流体的物理性质对于对流换热有很大的影响。
以无相变的强制对流传热为例,流体的密度ρ、动力粘度Π、导热系数λ以及比定压热容Cp等都会影响流体中速度的分布及热量的传递。
因而影响对流传热。
2自然对流传热现象的特点
2.1大空间与有限空间自然对流
自然对流传热区分为大空间自然对流与有限空间自然对流,又称为外部自然对流与内部自然对流。
所谓大空间自然对流,是指热边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流,而不拘泥于几何上的很大或无限大。
而在有限空间自然对流中,或者边界层的发展受到干扰,或者流体的流动受到限制,使其换热规律有别于大空间的自然情形[3]
。
2.2大空间自然对流的基本概念
大空间自然对流是指边界层的发展不受到干扰或阻碍的自然对流,而不拘泥于几何上的很大或无限大,物体的体积与所处空间的体积相差很大,其比值趋向于0,也就是说如果流体处于相对很大的空间,只要自然对流不受外部边界的影响就可认为是大空间的自然对流而不必局限于真正的无限大空间[4]
。
2.3均匀壁温边界条件的大空间自然对流
设壁面温度为tw,环境温度(即未受壁面温度影响的流体温度为t∞,则此时牛顿冷却公式及格拉晓夫数中的温差取为tw-t∞(流体被加热时或tw-t∞(流体被冷却时,工程计算中广泛采用以下形式的大空间自然对流实验关联式:
n
mrrmPGCNu(=(2-1
式中,Num为由平均表面传热系数组成的Nu数,下角标m表示定性温度采用
边界层的算术平均温度。
Gr数中的△t为tw与t∞之差,对于符合理想气体性质的气体。
常壁温及常热流密度两种情况可整理成同类形式的关联式。
上式中的常数C与系数n由实验确定。
换热形状与位置、热边界层条件以及层流或湍流的不同流态都影响C与n的值。
对于两种典型的表面形状与位置的情况,特征长度的选择方案为:
竖壁和竖圆柱取高度,横圆柱取外径。
流态转变依Gr数而定。
计算前首先要确定Gr的大小,才能选定合适的C和n值。
采用Gr数作为传热规律转变的判据,克服了以往采用Rɑ数时不同流体转变判据数值各异的缺陷,标志着对自然对流传热规律认识上的提高。
为计算的方便,下面暂时介绍仍以Rɑ为判据确定水平面自然对流平均表面传热系数的实用关联式,有关以Gr数为传热规律转变判据的研究工作需继续进行。
对于水平热面向上(冷面向下的情形(见图3-4a、b
4
1
(54.0rruPGN=,741010≤≤rrPG
(15.0rruPGN=,1071010≤≤rrPG
对于热面向下(冷面向上的情形(见图3-4c、d
(a热面向上(b冷面向下
(c热面向下(d冷面向上
图3-4水平板自然对流传热的流动图像
(15.0rruPGN=,1051010≤≤rrPG
以上两式中,定性温度为2(∞+ttW,特征长度为
PALp
=
其中,Ap、P分别为平板的换热面积及其周界长度。
在电子器件冷却问题中经常遇到均匀热流密度的加热条件。
这时自然对流传热的平均表面传热系数可以采用以下两种方式进行计算。
(1采用常壁温公式
对于高为L的竖直平板的均匀热流加热情形,如果取平板中点的壁温2Lt作为确定rG数中的温差以及牛顿冷却公式中温差的壁面温度,则对于均匀壁温得出的关联式仍能很好的适用于确定均匀热流密度时的平均表面传热系数。
(2采用专门公式针对电子器件冷却问题,对水平板热面向上与向下的情形,提供了均匀加热条件下平均表面传热的计算式
mrruPGBN(⋅=(2-2
式中
这些准则式的定性温度取平均温度mt,特征长度对矩形取短边长。
由于以上成果是在二维条件下取得的,对于长边接近短边长度的矩形,其长边端部影响不可忽略,准则数提供的uN数将偏小。
无论是均匀壁温,还是均匀热流密度,自然对流湍流时的传热规律都表明表面传热系数是个与特征长度无关的常量。
利用这一特征,湍流自然对流的实验研究,可以用比已定特征数相等所要求的更小尺寸的模型进行模型研究,而只要保证仍处于湍流的范围就可以了。
这种特征称为自模化[5]
。
2.4大空间自然对流的应用
2.4.1大空间内圆柱自然对流工业应用特点
不依靠泵或风机等外力推动,而由流体自身温度场为动力。
大空间自然对流应用广泛,比如暖气管道的散热、不用风扇强制冷却的电器元件的散热,自然对流换热具有安全、经济、无噪声,广泛应用于多种工业技术中。
2.4.2大空间自然对流在输电线上的应用
在我们日常生活中用的电是由导线传递过来的,但是电流通过导线传递,导线有电阻,所以导线会产生热量,根据实验可能得出随着热量的增加,导线的电阻增大,在电导线散热这一领域的研究对我国的国民经济有重要作用,电导线是处于空气当中,所为我们所研究的电导线就属于我们今天所研究的大空间内圆柱体自然对流问题,在一定稳定的环境中,对大空间圆柱体自然对流的研究可以减少电能的损耗和减少导线的用料,在各方面可以取得合适的均值,对我国的国民经济有重大影响和帮助[6]
。
2.4.3大空间自然对流在微小元器件冷却的应用
微小圆柱物体的大空间自然对流在一些工程应用如电子器件的冷却,热对流加整流速度计等,中起着越来越重要的作用。
普遍认为,微尺度下的圆柱体的大空间自然对流换热由于物体尺度的变小而使其表面的边界层变薄,从而使换热得到强化,但是小尺寸,尤其小于100μm的微细圆柱外的自然对流换热并未有实34vqLgNGGVurrλα==
验方面的系统研究,小尺寸下自然对流的换热机理仍然不清楚。
自然对流不需要动力,研究加强大空间内圆柱体自然对流换热的方法有着深远的工程意义[7]
。
2.5大空间圆管外表面自然对流的影响因素
影响因素很多,主要有以下原因:
通过由控制方程式
(rruPGfN=(2-3
可以得出影响大空间圆管外表面自然对流的因素有格拉晓夫数和普朗特由Gr与Pr我们可以得出一个新的无量纲数Ra,我们称为瑞利数:
av
tlgPGRvrra3
∆==α(2-4从而我们可以归纳出影响大空间自然对流的因素如下几条:
1重力加速度影响大空间自然对流,具体有不同地理位置,还有就是实验在电场、磁场等环境也会影响重力加速度,从而影响大空间自然对流。
2流体的体胀系数影响大空间自然对流。
3管壁与外界空间的温度差
4不同管子长度,对管子与外界空间的自然对流影响具大。
5热边界层和流动边界层对自然对流的影响。
6管子周围环境对管子自然对流的影响。
在管排中,管间距相对大小的不同对自然换热有影响,管间距的相对大小的不同会涉及产生最大流速的位置。
管间距不同,模拟值与实验值每次有差异[1]。
3水平管外自然对流换热实验
3.1实验原理
根据量纲分析知道,水平圆柱与流体间自然对流换热可以表示成:
Pf(Grr⋅=uN(3-1
其中λhdNu=33νβt
dgGr∆=
fwttt-=∆
aprν
=
经验表明式Pf(Grr⋅=uN可以表示成下列形式:
n
mrrmPGCN(⋅=
其中系数C与指数n在一定的P(Grr⋅数值范围内为常数,下表m表示定性温度取为壁温wt与远离水平圆柱体处的流体温度ft的平均值。
本实验的主要任务就是要确定所实验的P(Grr⋅的数值范围内C与n的值。
为此必须要知道在不同试验工况下,上述准则数中的各个物理量。
它们中g为常数(2/8.9sm,d,wt,ft可以直接测定。
从而查表可以得到rP,,,υβλ等物性数据。
放热系数h不能直接测出,必须通过测定壁温,放热等在根据定义式算出。
实验用的水平圆柱体被其内部电加热器加热,当达到稳定工况时,这是加热量通过圆柱体表面的自然对流与辐射向外散发:
]100
T(-100TF[(t-hf(tQ4f4fwWε+=(w(3-2其中0C为黑体辐射系数,其值为5.67(kw/(m42⋅。
ε是圆柱体表面黑度,取为0.06
wt是圆柱体表面平均温度(C0,273w+=tTw(k
ft是圆柱体表面的空气温度(C0,273ff+=tT(k
F为圆柱体的表面积,dLFπ=(2m
由式
]100
T(-100TF[(t-hf(tQ4f4fwWε+=(w可以得出实验测定的数据计算换热系数公式:
w/m](100
(100[((024f4f0fCTTttCttFQhwww⋅----=ε(3-3
式中加热量Q通过测定电加热器的功率来得出,wt,ft用热电偶测量,圆柱体的长度与直径已标明在实验设备上,所以试验中实际要测定量就是功率P,壁温wt及空气温度ft。
3.2温度场的测定和实验数据的计算
(1温度场的测定
经过大量的实验我们可以得到一个较完整的温度场分布图,下面我介绍一下空间热电偶的分布:
以加热管为中心,为了不影响流动的状态,我们将其按梯形分布,我们共布置16个测点在其周围:
在左侧布置四个热电偶,第一个距圆管0.3cm,第二个距第一个0.3cm,第三个距第二个0.1cm,第四个距第三个0.3cm。
在加热管上方布置四个热电偶,第一个距圆管0.6cm,第二个距第一个
1.2cm,第三个距第二个0.7cm,第四个距第三个1.6cm.
在加热管右侧布置四个测点,第一个距圆管0.5cm,第二个距第一个0.3cm,第三个距第二个0.3cm,第四个距第三个0.4cm。
在加热管下方布置四个测点,第一个距圆管0.2cm,第二个距第一个0.1cm,第三个距第二个0.2cm,第四个距第三个0.2cm。
分布图如图3-1所示
图3-1大空间的测温点的布置
(2实验数据的计算
由于本实验受周围环境的影响较大,如空间内的空气的温度、湿度、空气的流动变化等因素都有关,所以我们做实验时在一个空的大房间内进行,并且要求没有人员在走动,保持空气的自然状态。
作出如下表3-1所示的数据。
并且计算出了空气的物性。
实验数据计算结果如表3-2所示
表3-1实验测得数据
4应用ANSYS软件进行水平圆管道外空气自然对流的数值模拟的前处理
4.1ANSYS软件介绍
4.1.1ANSYS简介
ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。
所谓工程分析软件,主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应,例如应力、位移、温度等,根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态,进而判断是否符合设计要求。
一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。
想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。
由于计算机行业的发展,相应的软件也应运而生,ANSYS软件在工程上应用相当广泛,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用,都能达到某种程度的可信度,颇获各界好评。
使用该软件,能够降低设计成本,缩短设计时间[8]。
到80年代初期,国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:
ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等。
以ANSYS为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元法分析软件,它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。
它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的有力工具[8]。
图4-1ANSYS图形界面
4.1.2ANSYS软件主要功能
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
该软件提供了不断改进的功能清单,具体包括:
结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能[9]。
4.1.3ANSYS软件主要特点
ANSYS有两种模式:
一种是交互模式,另一个是非交互模式。
交互模式是初学者和大多数使用者所采用,包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等,一般无特别原因皆用交互模式。
但若分析的问题要很长时间,如一、两天等,可把分析问题的命令做成文件,利用它的非交互模式进行分析。
运行该程序一般采用Interactive进入,这样可以定义工作名称,并且存放到指定的工作目录中。
若使用RunInteractiveNow进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名,使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。
所以在开始分析一个问题时,建议使用Interactive进入交互模式。
凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结
果及图形输出与打印。
目前在工程领域内常用的数值模拟方法有:
有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法,就其广泛性而言,主要还是有限单元法。
它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元,单元之间仅靠节点相连。
单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。
由于单元形状简单,易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式,然后将各单元方程集组成总体代数方程组,计入边界条件后可对方程求解。
4.2建立水平圆管道外空气自然对流的数学模型
4.2.1建立实体模型
在上一章里已介绍了有限的直法建模,但该方法对复杂的结构,建立过程复杂而且容易出错,因此这里引入实体模型的建立,与一般的CAD软件一样,利用点、线、面、体积组合而成。
实体模型几何图形决定之后,由这界来决定网格,即每一线段要分成几个元素或元素的尺寸是多大。
决定了每边元素数目或尺寸大小之后,ANSYS的内建程序即能自动产生网格,即自动产生节点和元素,并同时完成有限元模型。
现今所有的有限元分析都用实体建模,类似于CAD,ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状,用于在里面填充节点和单元,还可以在几何边界上方便的施加载荷,但是几何实体模型并不参与有限元分析,所有施加在有限元边界上的载荷或约束,必须最终传递到有限元模型上(节点和单元进行求解[11]。
实体模型的建立方法
实体模型建立有下列方法:
(1由下往上法(bottom-upMethod
由建立最低单元的点到最高单元的体积,即建立点,再由点连成线,然后由线组合成面积,最后由面积组合建立体积。
(2由上往下法(top-downmethod及布尔运算命令一起使用
此方法直接建立较高单元对象,其所对应的较低单元对象一起产生,对象单元高低顺序依次为体积、面积、线段及点。
所谓布尔运算为对象相互加、减、组合等。
(3混合使用前两种方法
依照个人的经验,可结合前两种方法综合运用,但应考虑到要获得什么样的有限元模型,即在网格化分时,要产生自由网格划分或对应网格划分。
自由网格划分时,实体模型的建立比较简单,只要所有的面积或体积能接合成一个体就可以,对应网格划分时,平面结构一定要四边形或三边形面积相接而成,立体结构
一定要六面体相接而成。
(4我们所实验的圆管道是半径为0.02厘米的圆柱体形的管道,
为建立圆管道模型按如下步骤走:
单击主菜单中Preprocessor/Modeling/Create/Volumes/Cylinder/solidCylinder
会出现图4-2所示的对话框,并按对话框中所示的填,对话框中0.04表示圆柱体的半径是0.04m,对话框中0.5表示圆柱体的长度是0.5m。
图4-2建立有限元模型对话框
然后按下OK按钮会得到如图4-3所示的实体模型。
:
图4-3用ANSYS软件建立的水平圆管道实体模型
4.2.2建立有限元模型
目前在工程领域内常用的数值模拟方法有:
有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法,就其广泛性而言,主要还是有限单元法。
它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元,单元之间仅靠节点相连。
单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。
由于单元形状简单,易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式,然后将各单元方程集组成总体代数方程组,计入边界条件后可对方程求解。
有限元的基本构成:
(1节点(Node:
就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置,构成有限元系统的基本对象。
具有其物理意义的自由度,该自由度为结构系统受到外力后,系统的反应。
(2元素(Element
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