文档介绍：前言
导热问题实际上就是对导热微分方程(能量方程)在规定的定解条件下进行求解,而对流问题除了对能量方程进行求解外,往往还需对质量守恒方程以及动量方程进行求解。对于少数几何形状以及边界条件简单的问题能获得分析解,但对于大多数工程技术中遇到的许多几何形状或边界条件复杂的导热对流问题,数学上还无法得除其分析解。另一方面,在近几十年中,随着计算机技术的迅速发展,数值模拟技术得到了飞速的发展,其中CFD(计算流体力学)能解决流体流动,传热传质等很多工程问题,因而发展非常快。Fluent作为目前国际上最流行的商用CFD软件之一,在美国和中国的市场占有率都超过60%。只要涉及到流体、热传递以及化学方法等问题都可以用Fluent进行求解。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,在航空航天、汽车设计、石油天然气、消防火灾、环境分析等方面都有着广泛的应用。
本实验在于运用成熟的 Fluent软件对传热学的一些简单问题进行数值求解,主要包括一维稳态导热问题的求解,二维方腔内自然对流的数值模拟。实验的目的在于是为同学们提供一个形象直观而又生动的工具,为本科传热学的学****提供一个新的视角,使传热学的学****从抽象的理论中解放出来,变得直接而有主动,增强他们学****的兴趣与动力,从枯燥的灌输中解放出来。另一方面数值模拟还能加深学生对基本概念、基本规律的理解。能杨世铭说:“传热学课程的教学应当从以往的单纯地为后续专业课服务而转变到着重培养学生的素质与能力方面来。通过将CFD数值模拟方法渗透到传热学的本科实验中,为培养学生的素质与能力提供一个强有力的工具,最终促进学生创新能力和应用能力的全面提升。
目录
前言 1
目录 2
实验一圆管不可压缩粘性流实验(一) 1
实验二圆管不可压缩粘性流实验(二) 15
实验三管道突扩 22
实验四一维稳态导热的数值模拟 27
实验五复合壁面的稳态传热(一) 40
实验六复合壁面的稳态传热(二) 44
实验七非定常热传导 47
实验八对流-扩散方程数值计算算法 50
实验九二维密闭方腔自然对流的数值模拟 54
实验十冷热水混合器内的流动与热交换模拟 71
实验十一二维离心泵流动模拟 103
实验注意事项 111
实验报告要求 112
实验一充分发展管道流实验(一)3
实验二充分发展管道流实验(二) 9
实验三管道突扩 10
实验四一维稳态导热的数值模拟.....................1
实验五二维内热源稳态与非稳态导热的数值模拟
实验六复合壁面的稳态传热(一) 26
实验七复合壁面的稳态传热(二) 28
实验八二维密闭方腔自然对流的数值模拟...................................59
实验九纵向肋片(离心风机)自然对流的数值模拟
实验十冷热水混合器的数值模拟
热工学实验报告:换热...................................................................................75
源项及边界的处理方案
对流-扩散方程数值计算算法
实验一圆管不可压缩粘性流实验(一)
一、实验目的
本实验的目的是揭示雷诺数对摩擦因子和沿管径方向速度分布的影响。在这个实验中,可以模拟无热传递条件下,均匀速度条件入口粘性流体流经整个圆管管道中水力充分发展后的流体流动情况。学会并观察入口长度,水力参数与雷诺数的关系。观察基于雷诺数的表面摩擦系数是怎样分布的;观察出口处速率的变化。随着雷诺数的增加,剖面速度分布变得扁平。
二、实验原理
对流体通过管道系统时流量分布的分析是工程应用中最常见的流体动力学问题。最主要的应用场合包括各种水力和气动系统。例如,水、油或天然气等管道流动问题的研究。本模拟实验研究无热传递时等截面管道的水力学流动状况,如图1-1所示。
图1-1 管道中水力边界层的发展
(1)入口长度
流体在圆形管道中流动时,入口处速度是均匀的。当流体和管壁接触时,由于粘性力对流体的影响,就产生了边界层。在管道入口处,边界层非常薄,除边界外,其它区域都可以看成是非粘性流。随着流体向前流动,边界层越来越厚。边界层的发展使得非粘性区域越来越小直至消失,结果所有边界层在管道中线处合并。合并后,粘性力的影响已经遍布到整个截面,截面速度大小和分布情况在以后的流动中就不会再发生变化了。这时边界层已经充分发展了,而达到这一状况的管道截面与入口处的距离就叫做水力入口长度(hydrodynamic entry length)。
对圆形管道,层流和紊流的速率分布决定于紊流混合在所处的径向位置。但不论是层流还是紊流,入口处的雷诺数都可以定义成如下形式:
其中,是流体速度,D 是