等壁温厚壁圆管内流体换热的数值研究.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083390 等壁温厚壁圆管内流体换热的数值研究 张孙孝 1，2 陶文铨 1 1．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，能源与动力工程学院，陕西 西安 710049 Tel:029Email:wqtao@mail.xjtu.edu.cn 2．长安大学，环境科学与工程学院，陕西 西安 710064 摘要：外壁等壁温厚壁园管内层流流动对流换热的强度随壁厚的变化与固壁和流体导热系数比λ λ s f 密切相关。当 10 ≤RePr ≤15560,λ λ ≥25 时,管壁厚变化对热入口段理论长度、局部Nu 及 s f x Nu∞的影响可忽略不计,热充分发展段 Nu∞ 3.66 的结论依然成立； 否则, 管壁的相对厚度对热 入口段理论长度、局部 Nux 及 Nu∞的影响必须予以考虑,热充分发展段 Nu∞ 3.66 结论不再成立. 关键词：等壁温，厚壁园管，层流流动，热入口段长度，轴向导热。 1引 言 自 1883 年以来，管内流动与对流换热过程的分析一直是最重要的传热传质问题之 一。经典的 Graetz 问题为基于忽略轴向导热的理论解。许多研究者已将经典的 Graetz 问题推广到包括轴向导热和多种壁面边界条件的管内对流换热分析中。但大多分析都只 将管壁的导热考虑为仅沿轴向的一维导热。在微通道的对流换热问题中，管壁厚度与管 内半经之比相当大，这样管壁的导热实际为二维导热，不考虑管壁厚对管内对流换热过 程影响的各种结论是否依然成立有待进一步确认[[1～5]。本文以微细通道对流换热问题为 背景，采用 FVM 方法分析了外壁面为等壁温条件下，管壁厚度变化对管内壁面对流换热 过程的影响。 2物理数学模型 2.1 物理问题及边界条件 本文对图 1 所示的厚壁圆管入口段及充分发展段不可压缩流体层流流动与换热进行 模拟。进口流体给定均匀速度及均匀温度，管壁外表面温度保持恒定。考虑流动的对称 性，取一半流场进行计算。 λs θ λf 图1 计算区域示意图 1 2.2 数学模型 假设流体为常物性不可压缩，流动处于稳定层流状态；忽略体积力、电渗力及辐射 换热。选 r ，u 及t 分别为参考尺寸、参考速度及参考温度，其二维轴对称坐标系下 i i in 的无量纲控制方程如下： ∂U 1 ∂(RV ) + 0 （1） ∂X R ∂R ∂(UU) 1 ∂( RUV ) dP ∂ 2 ∂U 1 ∂ 2 ∂U + =− + ( ) + (R ) （2） ∂X R ∂R dX ∂X Re