基于FLUENT的波浪管道热传递耦合模拟

CFD可以对热传递耦合的流体流动进行模拟。CFD模拟可以观察到管道内部的流动行为和热传递，这样可以改进波浪壁面复杂通道几何形状中的热传递。

目的：

（1）创建由足够数量的完整波浪组成的波浪管道，提供充分发展条件；

（2）应用周期性边界条件创建波浪通道的一部分；

（3）研究不同湍流模型以及壁面函数对求解的影响；

（4）采用固定表面温度以及固定表面热流量条件，确定雷诺数与热特性之间的关系。

问题的描述：

通道由重复部分构成，每一部分由顶部的直面和底部的正弦曲面构成，如图。

图1  管道模型

空气的流动特性如下：

质量流量：m=0.816kg/s;

密度:      ρ=1kg/m3;

动力粘度：μ=0.0001kg/(m·s);

流动温度：Tb=300K；

流体其他热特性选择默认项。

流动初试条件：

x方向的速度=0.816m/s；

湍动能=1m2/s2;

湍流耗散率=1×105m2/s3。

所有湍流模型中均采用增强壁面处理。

操作过程：

一、完整波浪管道模型的数值模拟

（1）计算

Cf/2= (8160)=

y=

（2）创建网格

本例为波浪形管道，管道壁面为我们所感兴趣的地方所以要局部细化。入口和出口处的边界网格设置如图。

图2  边网格

生成面网格

图3  管道网格

（3）运用Fluent进行计算

本例涉及热传递耦合，所以在fluent中启动能量方程，如图。

图4  能量方程

设定条件，湍流模型选择标准k-e模型，近壁面处理选择增强壁面处理。

图5  湍流模型

设定材料，密度为1，动力粘度改为如图。

图6  材料设定

设定边界条件，入口速度为，湍动能为1，湍流耗散率为100000。出口为自由出口，壁面温度为固定温度分别为300k，500k。

图7  边界条件

初始化，并计算。

图8  残差

残差中的e和k并没有减小，没有达到10-3一下，并且由于网格很大，计算时间很长。

图9  压力分布图

随着流体流动，管道中压力分布趋于平稳，波浪管道中波谷的压力最低，在入口处的压力较高。

图10  速度分布图

从图中可以看出，在管道7-11个波浪处，流动已经充分发展，贴近上壁处速度最大，在波谷出的速度最小，甚至接近于零。

图11  温度分布图

贴近波浪壁面出的温度较高，流动充分发展后，由于换热作用，管道后部流体温度逐渐升高，在波峰与波谷之间的流体温度最高，如图。

图12  速度矢量图

可以看出，波浪壁面出流体出现反流，在波谷出反流的流体最多，速度在波谷出最小，接近于0，出现滞留区。

若要观察波峰、波谷处流体流动速度，需要在波峰、波谷处创建两条直线，观察直线上的速度。因为管道7-11节处流动充分发展，所以在第十一节波峰、波谷处建立两条直线，如图。

图13  波峰、波谷

图14  波峰、波谷的速度

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，在管道中间速度随高度增加而增加，在0.7m左右达到最大。波谷处靠近上壁面的速度梯度很大，但是由于有波谷存在，波谷处的速度梯度不大，在谷中速度先增大再减小，在0处左右达到最下，随后逐渐增加，在0.7m高度左右速度最大。高度在0.5m处以上波峰波谷处的速度基本相等。

二、周期性波浪管道模型的数值模拟

图15  周期性网格

网格密度与完全管道网格相同。

在fluent中输入以下指令，创建周期性网格。

/grid> modify-zones

/grid/modify-zones> make-periodic

Periodic zone [()] inlet

Shadow zone [()] outlet

Rotational periodic (if no, translational) [yes] no

Create periodic zones [yes] yes

Auto detect translation vector [yes] yes

computed translation deltas:

all 100 faces matched for zones 6 and 5.

zone 5 deleted

created periodic zones.

/grid/modify-zones>

边界条件中可以看到已经没有outlet，inlet也变成了periodic周期性的。这里要设置周期性边界条件。质量流量为，其他设置与之前相同。

图16  边界条件

图17  残差

Energy并不收敛，反而随计算而发散。其他参数都收敛。计算量很小，计算速度明显提高。

图18  压力图

图18  压力图 速度图 温度图 速度矢量图

管道中间压力最大并比较均匀，在波浪波谷出压力最低。温度分布不太正确。

图19  波峰波谷速度图

波峰贴近两侧壁面出的速度梯度很大，与完全模型相似，波峰在管道中间速度随高度增加先增加在减小，但是变化不大，其他分布趋势与完全模型相似。

图20  周期模型与完全模型波峰速度图比较

   周期性模型，管道中速度基本相等，没有呈现完全模型的变化趋势。

图21  周期模型与完全模型波谷速度图比较

   两模型的波谷速度的变化趋势大致相同，在小于0.3m处，周期性模型速度大于完全模型，0.3m之后，周期性模型速度小于完全管道模型。

三、周期性波浪管道不同湍流模型的数值模拟

应用周期模型，再选分别应用RNG与Realizable湍流模型计算。实验数据如图。

图21  RNG模型波峰波谷速度图

图22  Realizable模型波峰波谷速度图

将之前的数据放在一起进行比较。

图23  不同湍流模型波峰速度图

图24  不同湍流模型波谷速度图

从图中可以看出realizable和标准k-e模型波峰的速度分布大致相同，RNG模型与完全模型更接近，变化更大。三种湍流模型波谷的速度分布与波峰分布特点相似。

四、整体模型壁面采用固定热流率的数值模拟

重新选用整体模型，只需改变波浪面即wall2的边界条件即可，改为热流率1000w/m2，其他条件不变。

图25  不同湍流模型波谷速度图

图26  固定壁面温度与固定热流率波峰速度图比较

图27  固定壁面温度与固定热流率波谷速度图比较

从图中可以看出固定壁面温度与固定热流率波峰与波谷的速度分布还是比较相似的，不同的是在0.6m处固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度稍高，在0.6m之后固定热流率波峰波谷速度比固定壁面温度的速度稍低，在接近两壁面处基本相等。

图28  压力云图 温度云图

从图中可以看出，固定壁面温度与固定热流率模型的压力分布基本相同，但是，固定热流率模型管道内流动充分发展后，靠近波浪壁面的温度比固定壁面温度模型温度要高，说明前者换热量比后者大。