换热器内非定常幂律流体传热现象的数值模拟.pdfVIP

中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009 ） 换热器内非定常幂律流体传热现象的 数值模拟1) *，2) * ** 李博通 郑连存 张欣欣 * （北京科技大学应用科学学院，北京 100083 ） ** （北京科技大学机械工程学院，北京 100083 ） 摘要 本文采用数值手段研究了定壁温条件下换热器内非定常幂律流体的传热行为，换热器入口处温度呈 指数变化。与以往文献不同的是，本文考虑了温度对幂律流体传热效应的影响，所应用的数学模型中导热 系数是温度梯度的函数。文章采用基于有限差分格式的控制容积法和 LU 分解技术，得到了不同幂律指数 下和不同时间点处的无量纲温度。计算结果表明幂律指数的值极大地影响着该问题的解。 关键词 非牛顿流体，换热器，数值计算，导热系数 引 言 非牛顿流体的动量传输和能量传递现象普遍存在于自然界和生产实际中，如航空、航天、航海、 水利、水电、能源、环境、化工、冶金、动力，以及生物工程和纳米技术等方面，因此我们迫切需 要深刻认识非牛顿流体在不同边界条件下传输问题的物理机制。对于不可压缩的幂律非牛顿流体来 n−1 n−1 ∂u ∂u ∂u 说，剪切力为τ K ( ) ，运动粘度系数为ν γ 。在以往的文献中，这种幂律形式 ∂r ∂r ∂r k [1-6] 的运动粘度系数仅用于动量方程中，非牛顿流体的热导率 仍被视为一个常数。最近，郑连存等 利用相似变换群（李群）理论，深入研究了幂律流体能量边界层本构方程的表述形式，原创性的提 n−1 ∂T 出了新的能量边界层数学模型，将热扩散系数与粘性系数进行比拟：定义导热系数 ( ) ， k T k 0 ∂r 其中k0 是一个常数。本文应用上述模型，模拟了换热器内幂律流体的导热现象。 1 模型描述 考虑换热器内非定常强迫对流换热现象：假设粘性耗散对传热现象有影响但流体的轴向热传导 和热源项忽略不计；管道入