恒温炉膛内传热管仿真计算
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之前笔者写过一个气体加热器的案例，以恒温炉为热源，彼时管子外壁边界为辐射传热边界，省去了炉膛内壁和管子的传热计算，大大减小了计算时间。今天，我们再做一个案例，将炉膛内的辐射传热计算也加进去，验证一下采用辐射传热边界施加于管子外壁的合理性。
建立一个500mm×500mm×1000mm的恒温炉膛，炉膛壁面温度为600℃，内有一根外径Φ20mm，壁厚1.5mm的直管，管子材料导热系数为50W/m℃，管子外壁发射率为0.7。管内走气体介质，材质为FLUENT默认空气，流速0.5m/s，温度25℃，这里忽略了温度对空气物性的影响。计算管子的出口空气温度和传热功率。完整的计算域如下，包括炉膛内空气、管壁金属和管内介质三个子域。
这里全部忽略了温度对介质物性参数的影响，比如炉膛内的气体采用恒密度模型，这样内部的自然对流换热就被忽略了，只剩下辐射和热传导两部分，而实际上空气的导热系数很小，热传导对整个传热功率影响基本可忽略。 在进行全计算域整体计算时，需要开启辐射模型，这里选择应用范围最广的DO辐射模型，设置如下。 将能量收敛标准设置为10-7，也可设置为更严格的标准。 初始化，稳态求解。由于炉膛内的空气为静止，为加快收敛，可将其三个速度分量均patch为0。
先看一下计算结果的收敛性，整个计算域的净传热功率平衡性如下，可见还有一定误差，net值应该接近0才合适。另外可以看出，管子壁面吸收（并传给管内介质）的能量为72.7W。 再看一下计算域的温度分布，炉膛内的温度基本等于600℃。 管子进出口的温度如下，介质从25℃被加热到546.1℃。 接下来我们将炉膛空气的计算域抑制掉，这样只剩下管子和内部介质两个计算域了。 管子外壁的辐射边界按之前的方法设定，外部发射率0.7，外部辐射温度600℃。 计算结果能量收敛性如下，可以看出管子吸收的能量为73.4W，与之前全计算域的结果基本相等。 最后看一下管子进出口温度，出口介质温度为550.8℃，也基本等于全计算域的计算结果。尾注：根据该计算结果设计制造了预热设备，达到了设计要求，效果良好。
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首次发布时间：2023-07-05
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