计算传热学简介.doc
《计算传热学简介.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算传热学简介.doc(11页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、计算传热学作业姓名:吴天昊院系:运载与力学学部专业:航空宇航科学与技术学号:21323001计算传热学概述一 计算传热学的特点计算传热学是近15年来迅速发展的一个传热学分支70年代以来, 在世界范围内发生了严重的能源危机, 因而传热学作为利用能源和节约能源密切相关的领域受到了很大的重视。另一方面, 在实际应用中所遇到的传热问题都很复杂 一般它们具有下列几个特点:1)一个过程为多个变量所控制, 往往同时伴随有传热,传质,流体流动,化学反应以及其它有关过程。2)存在强烈的非线性效应, 各参数相互间存在着强烈的祸合。3)物性参数随温度而变化。4)所研究的系统有复杂的几何边界和非线性边界条件。显然,要
2、对这样一个过程作出传热和流动特性的预测是极困难的。这种预测可以通过实验研究和理论计算获得。前者是传统的办法,它是通过对一个实际物理模型的测定,获得必要的数表或经验公式。后者是以数学模型为出发点,算出结果,也就是从一组微分方程出发, 在给定的初、边值条件下求解,但是基于问题的复杂性,一般无法获得分析解。随着大型高速计算机的迅速发展和微机的普及, 利用计算机求数值解得到了迅速发展。计算传热学成为传热学的一个新兴分支是以下列几方面作为标志的:1)己经用数值计算方法求解了一大批一工程实际问题,这类问题的答案都不能在经典的传热学书中找到。2)计算传热学刊物的出版(1978 年起出版了国际计算传热学杂志)
3、。3) 计算传热学术会议的召开(到1985 年7 月止已经召开过四届有关传热问题数值方法的国际会议, 美国于1979年召开了首届全国计算传热会议)。4)计算传热学专著(教科书)的出版, 在大学里开设计算传热学课程。在1984年,仅美国就出版了三本与计算传热相关的教科书。计算传热学已经为有关领域的学者和工程师所重视一利用数值方法求解传热问题,我国在70年代也开始发展。目前,我国已有一支计算传热学的队伍,正在用数值方法求解各类导热、对流换热、自然对流与混合对流、热辐射等各方面的传热问题,并对数值求解方法及其数值特征也作了研究。1987年10月在杭州召开的首届个国计算传热学术会议, 标志着我国计算传
4、热学科的发展进入了一个新的发展阶段。利用数值计算方法预测某一系统过程的传热特性有其特有盯优点。它表现为:1)高的经济效益:计算所需的费用一般要比实验研究费用低几个数量级特别在有基本的通用程序后,要解决一些工程实际问题时更为如此,高的经济效益还表现为计算研究能以很快的速度进行,信息反馈快,计算表明,例如把一个二维求解椭圆型问题的SIMPLE和SIMPLEC程序贮存在IBM-PC机内, 可以求解许多问题2)可以获得完整而详细的资料。由于利用数值方法求解是从有关的控制方程出发的,因此可以在整个所考虑的区域内同时求得速度、压力、温度、浓度、湍流参数、壁面切应力(或热流)以及换热系数等等,这种结果可以作
5、为预测值, 也可与实验资料互为补充。3)易于克服实验研究所难以克服的困难,实验研究对大尺寸、快速瞬变过程高温过程、有毒物质、深冷过程等都是很难实施的, 特别对某些物理过程又不能使用相似原理时则更为困难,但是使用数值方法求解这类传热问题时,则无这些障碍。然而要指出的是, 计算预测传热特性也受到两方面的限制 一是必须建立一个正确的数学模型,但到目前为止, 对于一些复杂的湍流、二相流动、湍流燃烧反应等仍有困难。二是对高Re数, 高Cr数, 高Dean数,高旋转数以及复杂非线性间题的计算处理仍存在许多问题。因此除进一步发展研究与传热等问题有关的数值计算格式及其特性外, 仍必须十分重视实验研究,从这一点
6、说, 实验研究是发现新的基本现象的唯一方法, 对建立一个正确的数学模型有更重要的意义 。二 计算传热学的主要研究内容数伍格式及其数值特性的研究这是一个数值计算的普遍性问题, 但是针对传热问题又有其特殊性问题,作为一个传热的计算工作者, 不应随便搬用一种计算格式, 否则会因计算失败而显得束手无策。因此, 应该会分析所采用格式的数值特性格式的稳定性、相容性、收敛性及其误差范围。只有这样才能在计算传热学的研究中, 结合传热学科的特点,提出新的、收敛性好、精度高的计算格式。这是一个介于计算数学工作者和传热学工程师之间的任务,对第2次全美计算传热会议的评价就是一个例子。与传热现象相关的物理问题的研究这是
7、一个很宽广的研究领域 目前的研 工作主要集中在:热传导,附面层流动,空腔内的动量和热交换, 分离强制对流换热, 湍流换热,圆柱、圆球的绕流以及环内的热交换, 管道内发展与充分发展强制对流换热,喷射流传热研究,工业设备装置的复合换热, 沸腾、凝聚以及二相换热, 多孔介质内的换热,牛顿流体的热交换,质量交换与热交换,燃烧,热辐射等。逆问题的数值计算与热能体系的自动控制所谓“热交换计算的逆问题”,就是已知体系内的场参数, 要求得适当的边界情况。例如已知一固体内部温度随时间的变化过程, 要求解该体系的表面温度或热流。这与数学上的适定性问题有关, 也即解的唯一性间题。但是这类问题对于工业上的自动控制很有
8、意义。现在着重论述一下与流动及传质密切相关的传热问题的数值研究这里, 对流项的存在是一个麻烦的向题。在有流体流动时, 某一给定点处的温度场受其上游流场的影响很强,而受其下游流场的影响很弱,因此数值计算必须考虑这一不均匀性特性,否则所求得的解就会在物理上变得不真实, 甚至得不到数值解。要求解与对流相关的传热向题,首先得求解动量方程。更难的是在某些问题中,动量方程和能量方程需要祸合求解,但目前已有不少成功的方法可以应用。有关附面层流动的传热计算, 主要包括Blasius流动,Falkncr-Skan流动, 高次流动,Lcvcque间题, 在4度附近水的自然对流,非牛顿流和粘性耗散,转披不稳定性,
9、共扼流动,磁流体流动及热扩散等汇。在这些研究中, 除了应用各种数值方法求解一些模型方程外,还研究了Eckcrt数不等于零的自然对流。壁面有质量交换时, 附面层引起的变化对热交换的影响。壁面曲率对高次流的影响4度 时的水在附面层中心附近存在最大密度对流动和传热的影响。有内部热源的对流以及粘性耗散所引起的热源对传热的影响,同时考虑导热和对流现象的共扼流中的热交换。表面的导热情况对瞬态自然对流的影响,流体介质的辐射对热交换的影响, 以及由浓度和温度引起的质量通量对热扩散问题的影响计算附面层的主要方法:积分法,有限差分法,有限元法。目前在计算复杂的附面层流动时,主要倾向于有限差分法, 因为它显得更为灵
10、活,并能适应边界条件的变化或其它一些条件的改变有限元法的应用是最近的事也已经开始应用混合计算格式来求解这类问题, 这样可以充分发挥各类方法的优点开、闭空腔内的强制对流,自然对流和混合对流换热是当前很感兴趣的课题, 它具有学术和工业应用的价值。首先在数学上, 这是一个椭圆型问题,因此往往把简单的内腔流动作为验证各种不同计算格式的例子。另外,它又可以是一种复杂的流动。空腔内的回流运动可以由表面张力、多组元扩散和温差引起的浮力所驱动。已经有不少文献研究了Re数、Pr数、Ra数以及空腔的高宽比Ar对腔内流型及传热特性的影响。闭空腔内的自然对流对空腔内的几何形状及所加的边界条件很敏感。瞬态自然对流还表现
11、呈振荡性质向稳定状态过渡, 并且受Pr数、Ra数及几何形状的影响。计算表明,流动还可以表现为复杂的分层流动.这类间题的研究对热交换器及工业设备的冷却都很有意义。用于描述这类问题的数学方法主要有三类:1,涡量一流函数法。2,流函数双调和方程3,原始变量法。通过引用一种考虑附面层效应的适当变换函数, 己经可以使数值计算在Ra=10时保持稳定。近15年来, 在湍流换热的数值计算方面已经取得了很多进展。但基于湍流传热机理的复杂性和数学上的困难, 目前对许多问题还难以作出准确的分析。要对湍流换热作出数值模拟, 首先要解决湍流流场的计算各种时间平均的湍流封闭模型不仅成功地应用到了一些简单的流动,而且还能较
12、好地用来求解象曲壁流动, 三维流动,回流角流等问题。这种时间平均模型包括IM(积分方法),MLM(混合长度模型),KLM(动能和长度尺度模型, 包括一方程模型和二方程模型),ASM(代数应力模型),FRS(完全雷诺应力模型),LES(大涡模拟)。因此对于一个数值计算者就而临着一个湍流模型的选用问题根据1980-1981 AFOSR STANFORD会议上对所有方法作计算试验的分析表明,没有一种方法有明显的通用性,也没有一种方法适用性特别差:现有封闭湍流模型的最大薄弱处在于耗散方程;想壁面积分的方法又是要不壁面率好;对于某些流动,用代数应力模型所得的结果更好些,但总的说来并未像希望的那么好;数值
13、计算的技巧与湍流模型同样重要。对湍流传热的一个新近进步是直接建立求解湍流热通量的模化输送方程。这样对始终各项进行模化后,就可以同时用雷诺应力方程对流场求解。另一种方法是采用湍流Prandtl数。斯坦福大学的研究者在MLM基础上所发张的STAN5程序对圆管内加热气体的栅流作了计算预示,结果越实验符合很好。求解湍流换热问题目前以应用MLM和二方模型(特别是K-E模型)为最多。为庆祝D.B.Spalding60大寿所编的论文集共收集了他们所发表的35篇论文,其中有26篇是研究湍流问题的。他们把湍流分为湍流非反应流和湍流反应流,所以湍流传热的研究范围很广。SIMPLE和TEACH及其改型的计算程序已经
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 计算 传热学 简介
链接地址:https://www.31doc.com/p-10827612.html