文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123434
各种截面形状通道内对流换热的比较与修正的计算公式
王鹏基金项目:国家自然科学基金资助项目(No:51076105), 上海科委振兴东北科技合作项目**********
作者简介:王鹏(1990—),男,安徽省宿州市,硕士研究生,主要从事传热及数值模拟技术的研究
,杨茉,王治云,徐洪涛
(上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093)
(Tel:**********, Email:kingLsusu@)
摘要:对于各种截面形状通道中的对流换热,人们一直认为取水力当量直径作为定性尺度时,不同截面形状通道内的强制对流换热可近似用同一公式表达。本文对圆形、正三角形、正方形等六种截面形状通道内的湍流流动与换热进行了数值模拟。结果表明:定性尺度和Re数相同时,不同截面形状通道内的对流换热Nu值会存在一定程度的偏差,且最大偏差在30%以上。当对精度要求不高时,可以采用统一的换热关联式,如适用于圆管的Dittus-Boelter公式;但当有较高精度要求时,则应根据通道截面形状采用不同的公式计算传热。本文根据模拟结果,提出了适用于不同截面形状通道的对流换热公式。
关键词:换热模拟非圆截面通道偏差对流换热截面形状
0 前言
对于各种非圆形截面通道内的强制对流换热,一直有一个说法,就是如果采用所谓的当量直径作为定性尺度,则对圆形管道得出的对流换热实验关联式就可近似地予以应用。例如,文献[1]推荐采用Dittus-Boelter公式来计算圆形截面和非圆形截面通道中的对流换热。对于圆管内的强制对流传热,Dittus-Boelter公式的确是最普遍采用的关联式。但是,对非圆形通道,采用当量直径作为定性尺度,Dittus-Boelter公式确实能用吗?究竟会带来多大的误差?为此,笔者查阅了许多文献,包括Dittus-Boelter公式的出处[2]和一些年代比较久远的文献资料[3][4][5],都没有找到这种说法的确切出处,而一般中文的教科书中有这个说法。对于通道内层流换热,其解析解一般存在,而非圆形截面通道内的换热与圆形截面通道换热间差别一般在30%左右,最高可达到50%左右。笔者通过数值模拟发现,各种截面形状通道内的湍流流动换热与圆形截面通道内换热相差一般也可达到30%。本文的主要目的就是为了澄清这个事实。通过数值计算,本文分别模拟了湍流态下圆形、正三角形、正方形等六种正多边形截面形状通道以及七种长宽比不同的矩形截面通道内的对流换热,并对所得数值结果进行了比较,发现各种截面形状通道内的对流换热还是有一定程度差别的,对于本文所计算的一些工况,%。因此,当精度要求不高时,可采用统一的换热关联式,但当有较高精度要求时,则应对不同截面形状通道的对流换热区别对待。最后,针对正多边形截面通道和长宽比不同的矩形截面通道,本文分别提出了圆形度
和方形度的定义计算方法,并根据模拟结果,提出了由圆形度和方形度作为修正系数的统一的计算公式,可
使由于通道截面形状变化所带来的误差在10%以内。
1 模型选择和模拟方法
物理模型
本文首先选取六种不同截面类型的平直通道,并对其在旺盛湍流态下的换热工况进行模拟及比较分析,六种平直通道的截面类型分别是:圆形、正三角形、正方形、正六
边形、正八边形与正十二边形;接着笔者又对七种不同长宽比的矩形截面通道内的换热工况进行了纵向的比较分析,矩形截面的长宽比分别是1:1、2:1、4:1、6:1、10:1、12:1和20:1。
模型参数及工质选取:
①当量直径:圆形通道的当量直径取为8cm,非圆形截面类型的通道采用文献[1]所述当
量直径的计算方法,即令其,并以此设定模型,使其当量直径均为8cm;
②通道长度:根据文献[1]所述,应选择L/d≥60,故本文中取通道长度L=65d=520cm;
③工质:工质选取为空气,其;
④工况条件:恒壁温边界条件,管壁温度取恒定值300K;空气入口温度,根据文献[1]中“对于气体不超过50K”温度差之说明,本文选取入口处空气温度为340K;
模型的假设及简化:
①由于空气与管壁间温度差异不大,且二者温度均不高,故忽略二者间的辐射换热效用;
②采用壁面无滑移假设;
③假设来流速度和温度均匀分布;
④由于空气温度变化不大,为便于计算,忽略温度对物性的影响,假设流体常物性。
数值模拟范围:
本文是对旺盛湍流态下多种不同截面类型通道内的换热工况进行模拟,根据文献[1]之说明,选取Re数的变化范围为,取值分别为:、、、、、、、、。
数值模拟方法
本文所研究平直通道模型均为三维模型,网格划分采用四边形和六面体结构化网格。由于雷