FLUENT直圆管内强迫对流换热计算

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1 前言                                                              

    管内强迫对流换热是流体传热一个经典的问题，这应该是进行换热器设计的基础知识。今天我们用FLUENT做一个详细的直圆管内强迫对流换热的计算，供 读者学习参考。

2 问题描述                                                          

    假设一根内径40mm的直圆管，内部介质为水，入口温度26 ℃，出口33.68℃，定性温度30℃，密度为99 5.7kg/m3，动力粘度为0.8015 ×10-3Pa·s ，普朗特数5.42，入口的速度为5m/s，可计算出 Re约为2.484×105 ，湍流流态。

    我们建立二维轴对称模型，流动入口段长度通常在10~45倍管径范围，因此为了全范围考虑入口段和充分发展段，管长设为 4000mm（100倍管径）。湍流模型选用k-e模型，近壁 面采用标准壁面函数，因此划分网格时将Y+控制在30~300 之间，可先采用Y+估算工具进行初步计算（如下图），第一层网格高度约为 0.098mm。

图1 Y+初步计算

网格划分结果（局部放大）如图2所示。

图2 二维轴对称网格

    边界条件设定：入口为速度入口，出口为outflow自由出口边界，壁面恒 热流（400000W/m2）考虑 ，恒温壁面条件读者可以参考本案例自行试算。

3 计算结果                                                          

    根据以上的网格进行首次试算，壁面的y+分布如下。可见，首层网格高度太小 ，多处y+小于30，继续进行多次试算，最终选择首层网格高度 0.25，y+分布如图4所示，此时的 y+在35~65之间。

图3 第一层网格高度0.098 mm时的y+分布

图4第一层网格高度0.25mm 时的y+分布

    沿流动方向各断面上的平均温度根据如下公式计算，在软件里我们只需要选择质量流量加权平均温度即可。壁面温度和断面流体温度如图5所示，可以看出基本符合管内受迫对流换热特征， 在常热流边界条件下，充分发展段管壁温度、流体温度均呈线性变化，且两者变化速率相等；入口段受边界层影响，换热强度不断减小，故流体与壁面温差逐渐变大，这一点我们可以从图 6所示的对流换热系数曲线看出，另外可以发现大约在x=0.6m之后对流换热系数趋于一直，也就是说换热入口段长度约为 0.6m（15倍管径）。

图5 壁面温度和流体温度分布曲线

图6 壁面对流换热系数分布曲线

    流动方向上各断面的轴向速度分布如图7所示，根据流动充分发展阶段的特点，径向速度分量为零，轴向速度不再随x 变化，断面的速度形态不变。可以看出在x=0.8之后速度形态趋于一致（20倍管径）。 这里有个问题，水的普朗特数大于1，按道理流动入口长度应该小于热入口长度，而本次的计算有悖于此，原因还没有找到，有可能和网格有关，不知读者中有没有知道原因的，可以与大家共享一下。

图7 各断面上轴向速度分布曲线