优秀团队获奖感言-山东高考一本分数线

一两端带法兰弯管置于大空间内，管外壁与空气发生自然对流换热；
内通烟气并与管内壁 发生强制对流换热。结构和尺寸及其它条件如图。计
算任务为用计算流体力学计算传热学软件Fluen t求解包括管内流体和管壁
固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实体壁两种方法处理。
所需的边界条件采用对流换热实验关联式计算。
要求在发动机数值仿真实验室的计算机上完成建立几何 模型、生成计算网
格、建立计算模型、提交求解、和结果后处理等步骤，并分别撰写计算任
务的 报告，计算报告用计算机打印。
计算报告包括以下与计算任务相关的项目和内容：
(1)... ............................
传热过程简要描述包括传热方式、流动类 型等；
(2)计算方案分析包括所求解的控制方程及其简化、边界条件及其确定方
法和主要计算 过程；
(3)计算网格简报包括网格划分方案、单元拓扑、单元和节点数量、网格
质量等；(4)计算模型描述包括流体物性、边界条件、湍流模型、辐射模型及近壁
处理等；
(5) 求解过程简报包括求解方法、离散格式、迭代过程监控、收敛准则等；
(6)............ ...................................计算结果及分析给出下列图表和数 据：
w
纵剖面和中间弯管
45°
方向横剖面上的温度、温度梯度、速度分布图 ，以

及法兰和中间弯管处的局部放大图。
w
管内壁面上的温度、热流密 度和表面传热系数分布，包括三维分布和沿
管长度方向上的分布。
w............ .................................................. ....................................
总热流量。
w 由2种数值计算方法求得管内外烟气和空气之间换热的平均传热系数和
烟气出口温度，并与工程算法得到 的数值对比。

1、传热过程简述
计算任务为用计算流体力学计算传热学软件Fl uent求解通有烟气的法兰弯管包括
管内流体和管壁固体在内的温度分布，其中管壁分别采用薄壁和实 体壁两种方法处理。
在进行分析时要同时考虑导热，对流，热传递三种传热方式。
（1）、直角 弯管内外壁间的热传导。注意：如果是按薄壁方法处理时不用考虑该
项，此时管壁厚度可以忽略，内壁和 外壁温差几乎为零。
（2）、管子外壁与环境发生的自然对流换热。由于流体浮生力与粘性力对自然对< br>流的影响，横管与竖管对流换热系数略有不同的。计算公式也不一样。同时，还有内壁
同烟气发生 的强制对流换热。
（3）、管子外壁和大空间（环境）的辐射换热
通过进气温度和流量，我们可 以推断出管内烟气为湍流流动。这在随后的计算中可
以得到证实。
2、
计算方案分析< br>（1）
、控制方程及简化
质量守恒方程：
∂
ρ
∂
(< br>ρu
)
∂
(
ρv
)
∂
(
ρw
)
+++=0
∂
t
∂
x
∂
y
∂
z
它表述的是单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元
体的净质量 。
对定常不可压缩流动该方程可简化为
∂
u
∂
v
∂
w
++=0
∂
x
∂
y
∂
z
动量守恒方程：
∂
(
ρu
)
∂
t
∂
(
ρv
)
∂
t
∂
(
ρw
)
∂
t
+div
(
ρUu
)
=
div
(
µgradu< br>)
+
S
u
−
∂
p
∂
x
+< br>div
(
ρUv
)
=
div
(
µgradv
)
+
S
v
−
∂
p
∂
y
∂
p
∂
z
+
div
(
ρUw
)
=< br>div
(
µgradw
)
+
S
w
−
该方程的依据是，微元体中的流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上
的各种力之和。式中
S
u
、
S
v
、
S
w
是动量方程中 的广义源项。和前面一样上式可以简化
为：

∂
u
1∂
p
+
div
(
Uu
)
=
div
(
νgradu
)
−
∂
tρ
∂
x
∂
v
1∂
p
+
div
(
Uv
)
=
div(
νgradv
)
−
∂
tρ
∂
y
∂< br>w
1∂
p
+
div
(
Uw
)
=div
(
νgradw
)
−
∂
tρ
∂
z
能量守恒方程
其依据四能量守恒定律：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上 体
力与面力对微元体所做的功。
∂
(
ρh
)
∂
t< br>+
∂
(
ρuh
)
∂
x
+
∂
(
ρvh
)
∂
y
+
∂
(
ρwh
)
∂
z
=−
pdivU
+
div
(
λgra dT
)
+Φ+
S
h
λ
：流体导热系数；
S
h
：流体内热源
Φ
：由于粘性作用，机械能转换为热能的部分；
∂
T
对本题可化为：
+
div
(
UT
∂
t
⎛< br>λ
gradT
)
=
div
⎜
⎜
ρc
p
⎝
⎞
S
T
+
⎟
⎟
ρ
⎠
（2）
边界条件的定义
1）发生在管内、外壁上的对流换热属于第三类边界条件
2）弯 管两端法兰截面是绝热的，属于第二类边界条件（热流量为零）
3）外表面的辐射换热边界条件
1）内壁上强制对流换热系数
h
1
查阅资料[]确定700K烟气的热物性参数如下< br>ρ
=0.509
kg

m
3
；
λ
=5 .9*10
−2
W

(
m
*
k
)
；
ν
=67.74*10
−6
m
2

s
；Cp
=1159
J

kg
*
K
又已知：烟气流量
m
=0.15
kg

s
，管的内直径
d
=5 0
mm
=0.05
m
由
m
=
AVρ
；A为 流道截面积，Ｖ为烟气流速

V
=
m
=
Aρ
0 .15
⎛
0.05
⎞
π
⎜⎟
0.509
2
⎝⎠
2
=150.1
m

s
，
烟气比热容比
当地声速
则
M
=
γ
=1.33
，
R
g=287.52jkg K
c
=
γR
g
T
，则
c
=1.33×287.52×700=517.38
m

s
，
V
150.1
==0.29
，当
M
<0.4
时，气体可是 为不可压流体
c
517.38
而雷诺数
R
e
=
Vd
150.1×0.05
5
==1.11×10
，（管内烟气为湍流流动）−6
ν
67.74×10
管内湍流换热实验关联式
实用上使用最广的是迪 贝斯－贝尔特公式：
n
Nu
f
=0.023Re
0.8
f< br>Pr
f
.4
加热流体时=
0
，
.3
冷却流体 时=
0
。
式中:定性温度采用流体平均温度，特征长度为管内径。
n
n
将数据代入上式得
Nu
f
=0.0231.11×10
(
5
)
0.8
0.637
0.3
=218.39
λ
5 .9×10
−2
得到强制对流换热系数
h
1
=
Nu
=218.39×=257.7
W
2
m

k
d
0. 05
2）外壁自然流换热系数
h
2
、
h
3
自然对流 试验关联式：
Nu
=
C
(
Gr
Pr
)
，< br>Nu
=
n
hl
，
λ
Gr
=3.51×10< br>8
其中
C
=0.59
、
n
=14
、
Pr=0.701
【查表】
，注意：对于竖管段特征长度取管长，横管特征长度取管直径。定性温度采用
t
m
=(
t
w
+
t
∞< br>)2=
(
700+300
)
2=500
K
，
∆
t
=
t
w
−
t
f
=700−300=4 00
K
查表知500K时干空气热物性参数：
ρ
=0.705
kg< br>
m
3
、
λ
=4.1*10
−2
W
< br>(
m
*
K
)
、
ν
=37.83*10
−6
m
2

s
⎛
gα
∆
tl
⎞< br>4
λλ
n
λ
得竖管对流换热系数
h
2
=Nu
=
C
(
Gr
Pr
)
=
C
⎜
Pr
⎟
，代数数据得
2
ll
⎝
ν
⎠l
3
1

⎛
9.8×400×
(
0.4< br>)
3
⎞
h
2
=0.59⎜0.701⎟
2
⎜ ⎟
ν
×500
⎝⎠
1
4
4.1×10
−2
=4.47
W
2
m
*
k
0.4
同理得横管段
Gr
=7.11×10
7
，则c=0.48,
n
=14
⎛
9.8×400×
(
0.07
)
3
⎞
h
3
=0.48⎜0.701⎟
2
⎜⎟
ν
×500
⎝⎠
1
4
λ
=23.6
W
2
m

k
0 .07
注：横管的C=0.48（必须
gα
∆
tl
3
λ知道
h
2
=
Nu
中l的含义，以及
Gr
=中l的含义）
2
lν
3、网格简报
本模型用UG进行建模，采用GAMB IT来划分网格。一般说来，网格越密越能保证精确
的计算结果。但我们也要具体问题具体分析，针对不 同模型采用不同的处理方法。在硬
件配置允许的条件下，画出合理的高质量的网格。
（1）网格划分方案
1）管体是狭长规则几何体，优先采用四边形（quadrilateral）、六面 体网格
（hexahedralcells），它们相比较其他类型网格允许较大的纵横比。几何体弯曲 部分
要给以加密，修正由弯曲造成的网格放大。
2）由传热及流动过程界定网格布局：
首先，我们想到的是弯管的内壁，此处烟气和管壁发生强制对流换热。温度变化很
大，所以需要较密的网 格。可以通过划分边界层网格的手段得到沿半径方向成比例渐变
的网格。如图a

a.边界层网格划分
其次，考虑到流体进入拐角后流动情况复杂，也有必要对该处的网格加密。需要先< br>对线来进行网格划分，即由控制线上节点的数量来对拐角处体网格疏密进行控制。注：
该线需是弯 管面沿轴向的分割线，可以通过splitface命令将弯面沿着轴向方向虚拟分
割。再利用coop er命令画出的弯管部分的网格如图b
b.中间段网格
最后给各个面设定边界条件并检查网格质 量。注:若发现负体积需要重新划分网格
改变网格布局。因为负体积将直接导致基于有限体积法的flu ent得出错误结果。
（2）单元和节点统计
25440hexahedralcells,z one2,binary.
96404hexahedralcells,zone3,binary.
281487quadrilateralinteriorfaces,zone20,binary .
12320quadrilateralwallfaces,zone1,binary.
12320quadrilateralwallfaces,zone23,binary.
560q uadrilateralwallfaces,zone4,binary.
5320quadril ateralwallfaces,zone5,binary.
2600quadrilateral wallfaces,zone6,binary.
4000quadrilateralwallfa ces,zone7,binary.
160quadrilateralwallfaces,zon e8,binary.
160quadrilateralwallfaces,zone9,bina ry.
313quadrilateralinteriorfaces,zone10,binary .
80quadrilateralinteriorfaces,zone11,binary.313quadrilateralinteriorfaces,zone12,binary.
80quadrilateralinteriorfaces,zone13,binary.
313 quadrilateralinteriorfaces,zone14,binary.
80qua drilateralinteriorfaces,zone15,binary.
313quadr ilateralinteriorfaces,zone16,binary.
80quadrila teralinteriorfaces,zone17,binary.
313quadrilate raloutflowfaces,zone18,binary.
313quadrilateral velocity-inletfaces,zone19,binary.

63440 quadrilateralinteriorfaces,zone21,binary.
12320 shadowfacepairs,binary.
141166nodes,binary.
141166nodeflags,binary.
（3）网格单元质量
Equisizesk ew质量类型时最差网格质量值为0.40125
EquiAngleskew质量类型时最差网格质量 值也为0.40125
可见网格质量很好。
４、计算模型描述
高质量的网格为随后的计 算提供了有力保障，但仅这样还不够。针对不同模拟对象我
们还需要选择不同的计算方式，这就需要对计 算模型进行描述。其中主要是边界条件、
湍流模型、近壁处理。
(1)
流体物性
查资料得700K烟气的热物性如下
ρ
=0.509
kg

m
3
；
λ
=5.9*10
−2
W

(
m*
k
)
；
ν
=67.74*10
−6
m
2

s
；
Cp
=1158.8
J

kg*
K
(2)
边界条件
1）法兰管端面为绝热，热流量为零。定义名称为f lux_1、flux_2
2）由于横管竖管自然对流换热系数不同，需要分别定义：
竖管对流 换热系数命名为up_conv，值为4.47
W
m
2
⋅
k
；
横管对流换热系数命名为down_conv，值为23.6
W
弯曲段对流换热系数 elbow_conv取前两者的平均
入口命名为inlet，
取速度入口V=150.1ms
m
2
⋅
k
；
m
2
⋅
k
；
14.04
W
内壁命名为inner_wall，对流换热系数值为257.7
W
管子外表面辐射率和吸收率均取0.8
m
2
⋅
k
(3)
湍流模型
目前湍流模型有四种：Spart-Alpla单方程模型；K-e双方程模型；雷诺 应力模型；
大涡模拟模型。
单方程模型在这几种模型的中的计算量最小，它是一种刚刚发展起来 的湍流模型，
主要针对于航空流体机械的数值模拟，对于其他复杂流动的计算还没有经过验证
双 方程湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动，而且计算量也在工程可以接受的范
围；标准k- ε模型解决一般的流动问题，RNGk- ε模型主要应用于旋转坐标系下的流动
问题（旋转机械），Realizablek-ε模型主要用于射 流、大分离、回流等问题。雷诺应

力模型和大涡模拟主要应用于湍流运动的机理研究中， 由于计算量非常大，因此目前还
很少用于有复杂几何形状的工程问题中网格类型的选择。
本题采 用工程中较常用的双方程k-ε模型来进行湍流模拟。
（4）近壁处理
对于粘性流动问题，FL UENT默认设置是壁面无滑移条件，但你也可以指定壁面切向
速度分量（壁面平移或者旋转运动时）， 也可以给出壁面切应力从而模拟壁面滑移。根
据当地流动情况，可以计算壁面切应力和与流体换热情况。 湍流流动在近壁区域受壁面
的影响很大。
通常有两种方法来模拟近壁区域。一种方法是，不对粘 性影响比较明显的区域（粘
性底层和缓冲层）进行求解，而是用一组半经验公式（即壁面函数）将近壁单 元上的物
理量与湍流核心区内相应的物理量联系起来，这就是壁面函数法。另一种方法就是通过
修改湍流模型，使得对粘性影响的区域也通过网格进行求解，这就是近壁模拟的方法。
本题计算保持默认 值即可。
５、
求解过程简报
（
1
）导入网格
１）启动flu ent，选择3D模式；
２）Grid=>Check读入网格数据并检查，确保网格最小体积不能为负 ，同时留意其
他“警告”提示。必要时重新划分网格。
３）Grid=>Scale根据题目要 求确定长度单位为mm；
４）Display=>Grid显示网格，再次确认之前在gambit里定 义的边界条件。
（
2
）定义模型及边界
１）Define=>Models= >Solve定义求解器
在gradientoption项里选择LeastSquaresCell Based，其他项默认不变。
２）Define=>Models=>Energy
选择能量 方程并设置湍流模型，在Model项里选择k-epsilon(2eqn)，点OK
３）Defin e=>Materials定义流体属性
依次填入700K烟气的Density（密度）、Cp（定压 比热容）、ThermalConductiviy
（导热系数）、Viscosity（动力粘度）。 点ChangeCreate完成设置。
４）Define=>BoundaryConditions 定义边界条件
依据前面的计算结果输入相应边界条件。注意，入口面速度默认是沿x轴正向的，
随几何模型不同入口朝向也各不相同，应根据实际情况定义。
（
3
）求解
１） Solver=>Initialize=>Initialize
完成初始化流场
在Comp uteFrom项里选择inlet，点Init

２）设置监视窗口
Solve r=>Monitors=>Residual定义残差，在Options栏选取Plot，点OK
S olver=>Monitors=>SurfaceMonitors定义监视面，这里取出口为监视面，监视 出
口的Turbulence（湍流度）以及Mass-Weighted-Average（平均比重 ）
File=>Write=>Autosave设置自动保存，这里取每20次迭代自动保存一次Solver=>Iterate...设置迭代次数500开始迭代，当迭代至199次时达到收敛（这< br>里未对残差进一步设置，所以较快就收敛了）
残差迭代的图
出口流量监视图

（4）后处理
为了达到较理想的显示效果，采用了第三方软件（Tecplot10）进行后 处理。可以
看出弯管对流体是否有影响；在中间段由于漩涡和粘滞阻力影响流体出现回流（由速度
线分布得知）；同时总压也有一定损失（由45°剖面处的压力分布可以明显看到压力径
向变化）。后 处理图如下
纵截面温度分度云图（等温线图）
入口法兰纵截面温度分布云图（等温线图）出口法 兰纵截面温度分布云图（等温线）

中间弯管45°剖面温度云图
（等温线图）< br>弯管局部放大图（温度分布）
管内壁面温度分布

管内壁面传热系数分布Y -X方向
管内烟气流动速度分布

入口烟气流速分布出口烟气流速分布
4 5°剖面压力分布45°剖面速度分布
由纵截面和入口、出口处温度分布可知，随着流体在管内的流动， 流体也不断的向外传热，
到出口处温度已明显降低了很多。
6、总结
经过此次练习，我 发现自己在理论以及实践中还有很多地方需要努力。同时也有不
少收获。比如，几何建模对之后画网格的 影响（建模时合理简化模型有利于网格的建立）；
还有，几个模型导入网格软件后的二次建模与修改（创 建点=>线=>分割面，合并点、线、
面等）；以及创建网格的一些方法和思路。麻雀虽小但五脏俱全， 通过这次练习让我切
实体会了CFD过程的大体步骤。也为学习相关理论提供了较明确的方向。今后我会 尽力
努力提高自己的能力，为日后工作和研究打好坚实基础。

参考文献：
1.《传热学》陶文铨、高等教育出版社、第五章及附录
2.《数值传热学》陶文铨、高等教育出版社
3.《FLUENT流体工程仿真计算与应用》韩占忠等著、北京理工大学出版社、Page232-2 40
4.《通风管道局部构件阻力系数的实验和数值模拟研究》李涛、西安建筑科技大学
5.流 体中文网、Tecplot实战４、作者：Kaiser