基于FLUENT的浮力对流动传热与阻力影响分析
流动介质如气体、水在温度增大时，其密度减小，这是自然对流换热的本质原因。由于温度差产生密度差，从而产生浮升力，介质在此力作用下产生自然对流而无需外部机械驱动力。通常，自然对流的流速相比强迫对流是较小的，在强迫对流分析中经常忽略，而当强迫对流的流速较小时或者接近自然对流流速时，那么就不能忽略自然对流的影响。今天我们做一个简单的案例对此问题进行分析。
在一根内径为17mm的管道内，流动着常压干空气，空气入口温度为26.85℃，速度为0.5m/s，管道壁面温度为200℃，试分析浮升力对空气流动的影响。 本案例采用二维平面模型，建立如下的二维管道。
本案例中，空气的物性参数如密度、粘度、导热系数对问题分析很重要，因此需要重点考虑。 对于密度，采用不可压缩理想气体模型在考虑温度对密度的影响。对于粘度和导热系数，均采用分段线性插值方法考虑温度的影响，各温度下的物性参数值按下表设置。 本案例的流动状态按强迫对流考虑雷诺数小于2000，为层流；按自然对流考虑，格拉晓夫数小于10e9，为层流。因此，本案例采用层流模型。PS：格拉晓夫数按以下方法计算。 首先分别计算一下有重力和无重力（即有浮升力和无浮升力）的流动情况，在有浮升力时，进出口静压损失为0.6663Pa，而在无浮升力时，进出口全压损失为0.4659Pa。 有浮升力和无浮升力下，出口的速度分布如下图，可以看出有浮升力时，靠近壁面的速度比无浮升力时大，速度梯度更大，因此壁面的截切力更大而增加了阻力损失，这就是叠加了自然对流的速度，根据连续性方程，必然有其他地方的速度降下来，这发生在管道中心。同时，还可以看出，有浮力时的流动速度分布和湍流有些类似。在这种情况下，可以认为湍动加强，那么对流换热能力应该有所提高，这可以从壁面的传热功率看出来，有浮升力和无浮升力的传热功率分别为534.6W和504.6W。 以上有浮升力的情况，浮升力的方向和空气流动方向相同，我们将浮升力方向反置一下（重力加速度反向），此时的进出口全压损失为0.2774Pa。 浮升力方向和流动方向相同与相反时的出口分布如下，可以看出，由于浮升力的反向作用，靠近壁面的速度降低了，速度梯度减小，壁面剪切力减小，压力损失亦降低，而中心速度增大。在这种情况下，壁面的传热能力也降低了，此时的传热功率为474W。 以上结果还是说明了一个道理：换热能力和流动阻力是一对矛盾啊，所以换热能力强，流动阻力低是完美的，但是完美很难达到。
