FLUENT垂直实心圆柱自然对流传热计算
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之前笔者写过一个水平圆管外壁自然对流的计算案例,感兴趣的读者可以点击文末的“阅读原文”查阅该案例。今天,我们继续做一个垂直实心圆柱的自然对流传热计算,这些案例都是经典的自然对流案例,有大量的实验数据和理论推导公式进行表面努塞尔数的计算,可以用于设备绝热设计计算。 一个钢制实心圆柱垂直放置于20℃的空气中,圆柱直径D=40mm,高度L=40mm,采用二维轴对称模型建立如下计算域。其中,圆柱实体不建模,只建立空气域,计算域边界的选取:高度H=24D+L,宽度W=5D。划分全四边形网格,节点数约5万。注意对于轴对称模型,FLUENT需要将对称轴放在X轴上,计算域需要处于正Y轴区域。 以圆柱高度L为特征长度,基于特征长度的瑞利数、格拉肖夫数分别按下列式计算。 计算域各边界条件为:空气域底部为绝热光滑无滑移壁面,顶部和侧边均为压力出口边界,表压0Pa,回流温度20℃。圆柱顶部和侧边为光滑无滑移壁面,其中侧边为恒温边界,顶部分别设置为恒温壁面(同侧边温度)和绝热壁面,计算两种顶部边界的努塞尔数; 空气的密度根据上述物性参数采用boussinesq模型,提高收敛性,也可考虑用不可压缩理想气体模型,但是收敛性可能不如前者。 采用boussinesq模型时,由于计算域是开放式的,操作密度和操作温度都取空气的物性值。设置重力加速度,注意如前述轴对称模型的特殊要求,重力加速度要设置在X轴上。 由于要计算努塞尔数,参考值的设置非常重要,该案例通常取空气参数作为参考值,参考长度即为特征长度,下列框选项为计算努塞尔数时需要设置的参考值。我们看一下不同瑞利数下,基于特征长度的努塞尔数计算结果,这里针对圆柱顶部绝热边界和恒温边界分别作了计算,将计算结果同参考文献结果对比分别如下,参考的结果有的是数值计算拟合的公式,有的是基于实验数据的经验公式。可以看出,本案例的计算结果和参考文献结果相近。 再看一下其中某个瑞利数下,顶部绝热和恒温边界下的温度分布,可以看出顶部恒温时,靠近圆柱顶部的空气温度比绝热条件显著更高。 最后看一下其中某个瑞利数下,顶部绝热和恒温边界下的速度分布,由于圆柱上方被加热得更剧烈,顶部恒温条件下,空气域的最高速度略高于前者。[1]Jerod DAY. LAMINAR NATURAL CONVECTION FROM ISOTHERMAL VERTICAL CYLINDERS[2]Antonio Campo. Detailed Comparison of Natural Convection Heat Transfer between Solid Cylinders Placed Vertically and Horizontally in a Pool of Quiescent Air[3]Manoj Kumar Dash. Natural convection heat transfer and fluid flow around a thick hollow vertical cylinder suspended in air: A numerical approach