圆管层流入口段耦合换热的数值模拟研究(二)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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作者:任德鹏,夏新林,谈和平

摘　要:采用控制容积法与蒙特卡罗法对圆管层流入口段参与性介质的辐射-对流耦合换热进行了数值模拟研究.在对流-扩散项的离散中,分别采用了一阶差分的指数格式与二阶差分的QUICK格式.通过模拟计算,比较分析了两种差分格式的结果差别,考察了入口段耦合换热的温度场、径向导热热流场以及对流换热壁面热流与努谢尔数的分布特征.研究表明,入口段速度边界层发展对势流区的排挤效应对耦合换热有明显影响,采用QUICK格式能够模拟这一现象,而一阶差分格式不能,后者过高地估计了对流换热强度;辐射换热在抑制对流换热作用的同时,使两种差分格式的模拟结果呈现偏差的区域由入口附近向出口方向扩展.

关键词:耦合换热;层流入口段;差分格式

3 2　差分格式对温度场计算结果的影响首先,不考虑管内的辐射换热作用,考察差分格式对对流换热温度场计算结果的影响,如图4所示.图5则给出了介质的吸收系数不同时,差

分格式对辐射与对流耦合换热温度场计算结果的影响.可以看出,无论是哪种情况,由不同的差分格式计算的温度场都稍有不同.由图4可见,在靠近入口的截面上,由QUICK格式得出的壁面附近温度要高于指数格式的结果,而在离壁面稍远的区域,情况相反;随着离开入口距离的增加,温分格式对辐射与对流耦合换热温度场计算结果的影响.可以看出,无论是哪种情况,由不同的差分格式计算的温度场都稍有不同.由图4可见,在靠近入口的截面上,由QUICK格式得出的壁面附近温度要高于指数格式的结果,而在离壁面稍远的区域,情况相反;随着离开入口距离的增加,

合换热,采用两种差分格式所得出的温度场的偏差很小.同样,由于辐射换热的全场性,耦合换热的温度场发展比纯对流换热的温度场发展以及速度场的发展都明显加快.3 3　截面内的径向导热热流分布截面内的径向热流输运对管内入口段的换热起着重要作用,图7给出了采用两种差分格式时,对流换热与耦合换热的截面径向导热热流分布.

　　由图7(a)、(b)可知,入口段对流换热中,截面内的径向导热热流分布很不均匀,离入口越近,其不均匀性越强.由壁面向管中心,截面内的径向导热热流先增大后减小,在离壁面较近的位置出现峰值.随着Re数增大,壁面及附近的径向导热热流增大、对流换热增强,与图4结果相对应.在对应截面内,采用QUICK格式得出的热流密度普遍低于采用指数格式的结果,说明一阶差分格式给出的对流换热强度略高,在入口附近这种偏差较大.
　　比较图7(c)、(a)可知,当介质的辐射能力较弱时,入口段辐射与对流耦合换热的截面内径向导热热流分布与纯对流时的规律基本一致,仅仅是热流密度略微变小,这反映了辐射换热对对流换热的抑制作用.当介质的辐射能力较强时,如图7(d)所示,耦合换热的截面内的径向导热热流分布与前三者有明显区别,截面内的径向导热热流最大值出现在壁面处.壁面处的导热热流进一步减小,对流换热作用降低;而两种差分格式的结果差别与前几种情况类似.
3 4　耦合换热中的对流换热作用
流体与壁面的对流换热强度可通过壁面处的径向导热热流密度(等于对流换热热流密度)与努塞尔数来描述.图8给出了纯对流换热与耦合换热中壁面处径向导热热流密度的轴向分布;图9是相应条件下,壁面上对流换热局部努塞尔数的轴向分布.由图8(a)可见,在入口附近数倍管径长度的区域,壁面处的径向导热热流很大,随着离开入口距离的增加,该热流迅速减小;Re数增加,提高了壁面处的径向导热热流,增强了对流换热能力.图9(a)中局部努塞尔数的分布反映了相同的换热规律.　　由于辐射换热的抑制作用,耦合换热中的壁面处径向导热热流相应减小,但其轴向分布规律与纯对流换热相同,如图8(b)所示.当介质的辐射能力较强时,耦合换热中的对流换热努塞尔数

　　分布表现出与壁面热流分布不一致的规律,见图9(b),这是因为辐射换热作用较强时,介质的截面平均温度与壁面温度迅速接近,此时的努塞尔数已不能准确地反映耦合换热中的对流换热作用,需综合采用努塞尔数和热流密度进行评价,这与文献[6]结论一致.同时,图9(b)中两种差分格式的较大差别,说明对温度场的微弱变化,二阶差分的QUICK格式比一阶差分的指数格式更敏感.

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