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圆管内层流混合对流的数值模拟

薛建军  
【摘要】:液膜流动广泛存在于工程实际的传热过程。当强制对流,浮力引起的对流,表面张力引起的Marangoni对流和热毛细对流同时存在于液膜中时,形成的对流形式称之为层流混合对流。层流混合对流存在于制冷、能源及化工等许多领域中,因此对其研究有重要的意义。本文以底部加热、上表面为自由表面的圆管底部为模型,以水为工质,研究圆管中液膜的层流混合对流。分析液膜内部的基本流型及流动机理,探究Re、Ra、Ma等准则数及自由表面换热系数h对流体流动和换热的影响。其次,模拟不考虑Marangoni效应及热毛细效应时液膜内流体的流动和换热情况,并与考虑这两种效应时的情况进行对比,凸显Marangoni对流及热毛细对流在实际换热过程中的重要作用。本文使用ICEM软件划分网格,运用基于有限容积法的FLUENT软件进行模拟计算,其研究结果对工程设计有一定的理论参考价值。本文研究内容主要分为以下两部分:一、研究液膜宏观静止时的流动和换热情况。此时流体没有强制对流,但液膜内部存在表面张力引起的Marangoni对流、热毛细对流,以及浮力引起的对流。通过模拟分析得出以下结论:(1)流体宏观静止时不同竖直截面流型相同,从左到右形成一个完整的流卷;(2)自由表面换热系数h对竖直截面流型及流体温度分布的影响不大,但随着h的增大,底部壁面换热量有一定的增大;(3)当考虑Marangoni效应及热毛细效应时,Ma数和Ra的变化对竖直截面流型影响不大,但随着Ma数和Ra的共同增大,流体温度整体明显升高,底部壁面换热量大幅增加;(4)当不考虑Marangoni效应及热毛细效应时,竖直截面基本流型发生变化,不同截面的流型不同,且随着Ra数的増大,竖直截面流卷数目增加,流体温度整体升高,底部壁面的换热量大幅增加。二、研究液膜宏观流动时的流动和换热情况。此时流体存在强制对流,与表面张力引起的Marangoni对流、热毛细对流,以及浮力引起的对流共同作用形成层流混合对流。通过模拟分析得出以下结论:(1)液膜流动时竖直截面流型经过三个阶段,从不完整的流卷逐渐过渡到完整的流卷,完整流卷的形成标志着流动达到充分发展;(2)Re数的增大会使流体达到充分发展的位置沿宏观流动方向明显靠后,对流体温度分布影响不大,底部壁面换热量有微弱增加;(3)自由表面换热系数h的增大会使流体达到充分发展的位置向后较小地移动,对流体温度分布影响不大,底部壁面换热量有微弱增加;(4)当考虑Marangoni效应及热毛细效应时,Ma数和Ra的增大会使流体达到充分发展的位置向前较小地移动,流体温度整体明显増大,底部壁面换热量大幅增加;(5)当不考虑Marangoni效应及热毛细效应时,竖直截面基本流型与考虑这两种效应时不同,此时随着Ra数的增大流体达到充分发展的位置向前移动,流体温度整体升高,底部壁面换热量大幅增加。


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