[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品] 基于有限元的水平圓管道外空氣自然對(duì)流的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))-1-1緒論1.1引言自然界和工程技術(shù)問(wèn)題中存在著大量因?yàn)闇囟炔钜鸬拿芏炔町?，最終導(dǎo)致流體發(fā)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，大到影響整個(gè)地球環(huán)境和氣候變遷的大氣層環(huán)流，海洋中的洋流，小到生活中每天用的電冰箱的冷卻器，冬季采暖的散熱器，以及工業(yè)上許多未加強(qiáng)迫流動(dòng)措施的散熱裝置，像電力變壓器，架空熱力管道和輸電線，以及大量電子元器件的肋片式散熱器，電廠內(nèi)的蒸汽管道，換熱站的換熱器，以及在鍋爐的空氣預(yù)熱器中，等等。某些場(chǎng)合，自然對(duì)流散熱可能成為能否保證設(shè)備安全的關(guān)鍵因素，更重要的是，在某些場(chǎng)合，自然對(duì)流換熱可能成為保證人身設(shè)備安全的關(guān)鍵因素，例如核反應(yīng)堆的失水事故始終是對(duì)人員和設(shè)備安全最重要的潛在威脅之一，要保證絕對(duì)安全，就必須做到即使在滿負(fù)荷情況下突然停泵，沒(méi)有冷劑補(bǔ)充也不執(zhí)行任何人工操作，靠一回路流體的自然對(duì)流也能把堆芯的剩余衰變熱量帶出來(lái)，使堆芯不致出現(xiàn)過(guò)熱。在沒(méi)有強(qiáng)制的流動(dòng)速度而流體內(nèi)仍存在對(duì)流流動(dòng)的情況，這種情況稱之為自由運(yùn)動(dòng)或自然對(duì)流。因?yàn)樽匀粚?duì)流牟流速一般遠(yuǎn)小于強(qiáng)迫對(duì)流的相應(yīng)的速度，相應(yīng)的對(duì)流傳遞速率也小，這也許會(huì)使人們認(rèn)為自然對(duì)流過(guò)程不大重要。其實(shí)應(yīng)消除這種誤解，在許多含有多種傳熱效應(yīng)的系統(tǒng)中，自然對(duì)流引起的傳熱熱阻最大，并且在一些工程應(yīng)用上還必需用自然對(duì)流而非強(qiáng)迫對(duì)流，比如空氣中的輸電線，而且自然對(duì)流不用投入一些動(dòng)力，而是流體本身密度差引起的，所以可以降低運(yùn)行費(fèi)用。自然對(duì)流有很多用途，它在很大程度上影響管道，輸電線路以及各種電子設(shè)備上的散熱，自然對(duì)流都很重要的，自然對(duì)流也與環(huán)境科學(xué)有關(guān)，在環(huán)境科學(xué)中自然對(duì)流引起海洋和大氣運(yùn)動(dòng)，并影響與之有關(guān)的熱量交換和質(zhì)量交換過(guò)程。1.2對(duì)流傳熱的定義及分類(lèi)1.2.1對(duì)流傳熱的定義熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷，熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過(guò)程。熱對(duì)流僅發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時(shí)在進(jìn)行著不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，因而對(duì)流必然伴隨有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。工程上特別感興趣的是流體流過(guò)物體表面是流體與物體表面之間的熱量傳遞過(guò)程，并稱之為對(duì)流傳熱1。畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))-2-流體流過(guò)固體表面時(shí)流體與固體間的熱量交換稱為對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱的換熱量用牛頓冷卻公式計(jì)算。對(duì)單位面積有thq（1-1）其中h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，t為壁面溫度和流體溫度的溫度差，q為熱流密度，單位是w/m2k。對(duì)于面積為A的接觸面mtAh（1-2）其中h為對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，tm為換熱面A上流體與固體表面的平均溫度差。工程計(jì)算中無(wú)論流體被冷卻還是被加熱，化熱量總是取正值，因此t及tm也取正值。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與對(duì)流傳熱過(guò)程中的許多因素有關(guān)。它不僅取決于流體的物性以及換熱表面的形狀，大小與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。在表1-1中給出了幾種對(duì)流傳熱過(guò)程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值的大致范圍1。表1-1對(duì)流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致范圍過(guò)程h/)W/(m2K自然對(duì)流：空氣110水2001000強(qiáng)制對(duì)流：氣體20100高壓水蒸氣50035000水10001500水的相變換熱：沸騰250035000蒸氣凝結(jié)5000250001.2.2對(duì)流傳熱的分類(lèi)對(duì)流傳熱現(xiàn)象可以分為有相變與無(wú)相變的對(duì)流傳熱。在有相變對(duì)流傳熱中可分為沸騰傳熱和凝結(jié)傳熱。沸騰傳熱可以分為大容器沸騰傳熱和管內(nèi)沸騰傳熱。凝結(jié)傳熱可分為管外凝結(jié)傳熱和管內(nèi)凝結(jié)傳熱。在無(wú)相變的對(duì)流傳熱中可分為混合對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流與自然對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流可分為內(nèi)部流動(dòng)傳熱與外部流動(dòng)傳熱。自然對(duì)流傳熱可分為大空間自然對(duì)流傳熱和有限空間自然對(duì)流。1.3研究對(duì)流傳熱的意義求解對(duì)流傳熱問(wèn)題的工程目的，是要得出對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算規(guī)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))-3-律。為了得出，關(guān)鍵是要獲得流體中的溫度分布。因而從傳熱學(xué)的基本原理來(lái)說(shuō)求解導(dǎo)熱與對(duì)流傳熱問(wèn)題的實(shí)質(zhì)都是要獲得物體中的溫度場(chǎng)。只是對(duì)于對(duì)流傳熱，由于理論求解是用非線性偏微分方程，其難度很大，因此主要采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法。而封閉空腔內(nèi)的自然對(duì)流換熱是數(shù)值傳熱學(xué)里的經(jīng)典課題，這種流動(dòng)屬于作用密度梯度上的體積力引起的一種浮力誘發(fā)運(yùn)動(dòng)，而密度梯度本身又因?yàn)榱黧w里的質(zhì)量濃度梯度與溫度梯度或二者之一所引起，其所描述的現(xiàn)象在許多工程實(shí)踐中都能遇到，因此精確分析各種條件下的封閉空腔內(nèi)的自然對(duì)流換熱問(wèn)題具有重要的實(shí)用價(jià)值2。1.4對(duì)流傳熱的影響因素影響對(duì)流傳熱的因素就是影響流動(dòng)的因素及影響流體中熱量傳遞的因素。這些因素歸納起來(lái)可以分為以下五個(gè)方面。（1）流體有無(wú)相變?cè)诹黧w沒(méi)有相變時(shí)傳熱中的熱量交換是由于流體顯熱的變化而實(shí)現(xiàn)的，而在有相變的換熱過(guò)程中（如沸騰或凝結(jié)），流體相變熱（前熱）的釋放或吸收常常起主要作用，因而傳熱規(guī)律與無(wú)相變時(shí)不同。（2）流體的流動(dòng)狀態(tài)流體力學(xué)的研究已經(jīng)查明，粘性流體存在兩種不同的流態(tài)層流和湍流，層流時(shí)流體微團(tuán)沿著主流方向作規(guī)則的分層流動(dòng)，而湍流時(shí)流體各部分之間發(fā)生劇烈的混合，因而在其他條件相同時(shí)湍流傳熱的強(qiáng)度自然要較層流時(shí)強(qiáng)烈。（3）換熱表面的幾何因素這里的幾何因素指的是換熱表面的形狀、大小、換熱表面與流體運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)位置以及換熱表面的狀態(tài)（光滑或粗糙），例如圖1-1(A)所示的館內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)與流體橫掠圓管的強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng)是截然不同的。前一種是管內(nèi)流動(dòng)，屬于所謂內(nèi)部流動(dòng)的范圍；后一種是外掠物體流動(dòng)，屬于所謂外部流動(dòng)的范圍。這兩種不同流動(dòng)條件下的換熱規(guī)律必然是不相同的。在自然對(duì)流領(lǐng)域里，不僅幾何形狀，幾何布置對(duì)流動(dòng)赤有決定性影響，例如圖1-1(B)所示的水平壁，熱面朝上散熱的流動(dòng)與熱面朝下散熱的流動(dòng)就截然不同，它們的換熱規(guī)律也是不一樣的1。畢業(yè)論文