圆管内层流混合对流的数值模拟

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。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 Marangoni对流及热毛细对流的研究现状

1.3 层流混合对流的研究进展

1.4 本文研究内容

2 物理数学模型

2.1 物理模型

2.2 数学模型

2.2.1 控制方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 控制方程及边界条件的无量纲化

2.2.4 主要无量纲参数介绍

2.3 数值方法

2.4 网格生成

2.4.1 网格划分

2.4.2 网格无关性验证及模型检验

2.5 本章小结

3 流体宏观静止时的混合对流

3.1 基本流型分析

3.2 自由表面换热系数h的影响

3.3 Ma数和Ra数的共同影响

3.4 Ra数的影响

3.5 本章小结

4 流体的层流混合对流

4.1 基本流型分析

4.2 Re数的影响

4.3 自由表面换热系数h的影响

4.4 Ma数和Ra数的共同影响

4.5 Ra数的影响

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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