管排数对管束外混合对流影响的数值模拟 王秋香.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：113209 管排数对管束外混合对流影响的数值模拟 王秋香，李彪，戴传山 （天津大学机械学院热能系地热研究中心，天津 300072） (Tel: 022 Email: wqiuxiang@tju.edu.cn) 摘要 本文用格子Boltzmann方法对混合流动绕流微管管束的换热性能进行了数值模拟。首先用一个经典自然对流算例验证了程序的正确性。然后分别就不同变化参数对管束整体平均努塞尔数的影响做了模拟。结果表明：在低雷诺数下，管束整体平均努塞尔数随着管排数的增加逐渐减小，几乎趋于一稳定值，明显不同于常规尺度努塞尔数随管排数的变化规律。同时比较了各种情况下平均努塞尔数与温度场的分布，并对影响管束传热的其他因素做了讨论总结。 关键词 格子Boltzmann；混合对流；自然对流；微管管束；管排数 0 前言 各种换热设备中大量采用扰流管束的换热方式，比如管壳式换热器、电站锅炉的过热器、再热器等。目前对常规尺度单圆柱[1,2]、多圆柱扰流[3-5]的流动情况已有大量的报道，但换热情况的研究还很少。实际上，对于任何一种对流换热问题，流体各部分之间不可避免的存在温差。严格意义上讲，任何一种对流换热都是伴随有自然对流的混合对流换热。在强迫对流与自然对流并存的混合对流换热情况下用无量纲特征数格拉晓夫数与雷诺数的平方的比值来衡量强迫流动与自然对流的相对强弱。工程上一般采用的处理原则是：如果，就按“纯”强迫流动来对待；如果，则允许忽略强迫对流的影响，按“纯”自然对流换热对待；如果就必须同时考虑强迫对流和自然对流的影响。104，104和Ra=1×105情况下的自然对流换热。计算区 域为2.5×2.5，格子Δx=Δy为0.025，圆管直径为1。正方形腔体的长度是2.5。速度场中，计算区域中所有节点初始速度为0，四周都采用无滑移边界条件。温度场中，初始温度除圆管为恒壁温边界条件1外，流场中各节点的温度均为0。四周采用恒壁温边界条件。 基金项目：天津市科委重点基金资助项目（No:08JCZDC20300），国家自然科学基金资助项目（No. 通过平均努塞尔对比充分验证了本程序正确。 图1.不同瑞利数下的温度场分布对比图（上边是文献结果，下边是本文结果） Fig.1. The temperature fields around a heated cylinder in a square enclosure at various Ra numbers (from left 104, 5×104, 105) (above Peng’s (2004), bottom the present simulation) 图1上边部分的黑白图是Peng Y, Shu C[10]分别在Ra=104,5×104,105下的温度场模拟结果，图1下边彩色的图是本文在对应Ra下的温度场模拟结果。从图1 上下两部分的对比可以直观地看出本文数值模拟所有程序的正确性。 2 模拟结果与分析 2.1 模型的建立与边界条件说明 图2 混合流动管束外传热的理论模型 Fig.2 The simulation model of mixed convention flow over the tube bundle 图2是本文研究混合对流绕流圆管管束外换热情况的理论模型。计算区域40×10，格子划分800×200。计算步长0.05。圆管直径1，管束按按图示方式排列。圆管标号从上到下，从左到右依次为1到50。 边界条件说明：速度场中，初始速度分布除入口边界x方向速度u为来流速度外，其余流场中各节点速度都是0，流场左右边界为进、出口边界，分别采用进出口边界条件处理，上下边界为固定边界，采用无滑移边界条件处理。温度场中，初始温度除圆管外壁为恒壁温边界条件1外，流场中各点的温度均为0。左右为进、出口边界，上下为绝热边界 2.2 管排数对管束整体传热情况的影响 所图3所示，在不同自然对流相对强度下，管束平均Nu数随管排数的变化。从图中可以看出，随着管排数的增加，管束平均Nu数逐渐下降。当管排数增加到20排以后，管束平均Nu数趋于一定值。但是这个定值随着Gr/Re2的增大而增大。比如在Gr/Re2=0.1225时，管束平均Nu数趋于稳定值0.77，Gr/Re2=3.06和12.25时分别趋于定值0.94和1.38。公式(1)-(3)分别给出来不同情况下管束平