基于Workbench的高压圆盘气体轴承共轭传热研究

高压圆盘气体轴承流道间隙内高速气流的对流换热与轴承圆盘内部热传导紧密耦合在一起,是一个典型的共轭传热问题。基于ANSYS Workbench工作平台的Fluid Flow(Fluent)模块对高压圆盘气体轴承进行共轭传热数值模拟,获得轴承流道间隙内的速度和压力分布、流体域与固体域的温度分布以及共轭传热时流固耦合壁面的热流密度分布,并将其与非共轭传热恒温壁面条件下的计算结果进行对比,得到高压圆盘气体轴承共轭传热的一些基本特性。结果表明:2种情况下的计算结果存在较大差异,非共轭传热恒温壁面条件下,间隙内的气体只吸热,流体域耦合壁面上的热流密度均为正值;而共轭传热条件下流体域耦合壁面热流密度存在正负值,间隙内气体的吸热和放热同时存在,显示出轴承圆盘的热传导与间隙内气体的对流换热具有复杂的共轭作用机制;相比之下,采用共轭传热模型可以得到更为符合实际的结果。研究结果为该类轴承的设计和制造提供了有益的指导。

高压圆盘气体轴承轴对称模型的共轭传热分析

高压圆盘气体轴承流道间隙内高速气流的对流换热与轴承圆盘内部热传导紧密耦合在一起,是一个典型的共轭传热问题。为提高计算效率,采用二维轴对称模型,使用ANSYS ICEM网格划分软件对流体域和固体域进行结构网格划分;使用ANSYS Fluent数值模拟软件,计算了二维轴对称条件下高压圆盘气体轴承气膜对称线上的马赫数、静温分布,流固耦合面上的热流密度分布,以及轴承圆盘固体域的温度场。将二维计算结果同已有的三维模型计算结果做对比,二者基本吻合,可以很好地相互验证计算结果的可靠性;对进一步分析高压圆盘气体轴承更为复杂的其他热流固耦合问题,提供了简化思路。

基于COMSOL的滑阀流固耦合共轭传热仿真研究

液压滑阀在工作过程中常常因黏性加热而出现阀芯热卡紧现象,基于流固耦合共轭传热方法,运用COMSOL软件对滑阀内的热-流-固多物理耦合场进行数值计算。结果表明:高温主要集中在速度梯度较大的区域以及受高速油液冲刷的节流槽壁面,由此产生的阀芯节流槽区域径向不均匀环状凸起变形可能直接导致阀芯卡紧;阀芯最大径向热变形量可达1.31μm,位于节流槽矩形工作边处;黏温特性对滑阀内的黏性加热效应具有消极的影响,含气泡油液却与此相反,导热率与温度的线性关系对滑阀阀芯径向热变形也具有消极的影响;考虑以上因素并不改变滑阀内的温度场分布与热变形特征,而是使计算结果更加符合实际工况。

共轭传热室内自然对流数值模拟研究

研究建筑围护结构传热与流体流动综合作用下室内自然对流数值模拟 ,建立了一套同时在固体 -流体区域整体求解连续性方程、动量方程和能量方程的数值模拟方法 .具体分析了瑞利数变化范围为 1 0 4到 1 0 6时建筑围护结构传热对室内自然对流的影响 .数值预测结果表明 :该方法能够真实反映室内自然对流问题 .

共轭传热室内环境数值预测模型

尝试将计算传热学和计算流体力学综合应用于室内气流组织的数值计算 ,将计算范围扩至建筑围护结构外表面 ,根据 Patankar提出的对 Γ求调和平均的措施 。

内燃机缸体-冷却液流固耦合模型的共轭传热研究

运用ANSYS软件,计算了内燃机整体冷却流场的流速分布,并以此CFD计算结果为基础,针对缸体与冷却液的流固耦合模型,应用共轭传热算法,计算了缸体-冷却液耦合模型的温度场及缸体的热变形,分析了缸体内冷却液流速场对缸体-冷却液耦合模型的温度分布和缸体热变形的影响。计算表明,由于冷却液流速分布的影响,缸体的温度分布和热变形存在着非常显著的周向与轴向差异。

矩形窄缝通道流固共轭传热数值分析

优化设计矩形窄缝流道角部非加热区时,需了解该区域固体的温度场及导热机理对换热的影响。本文采用CFD软件CFX对矩形窄缝通道内流固共轭传热进行了数值分析。研究结果表明:角部附近设计1 mm×2 mm非加热区域后,能够有效地避免角部热集中现象,非加热区对流道中间部位温度场的分布影响不大;非加热区域固体设置为导热边界条件时,角部附近加热面上的内壁面热流密度和温度的分布变得不均匀;固体金属材料的热传导使得非加热区域内固体的温度有所升高,有利于提高该区域流体的温度;非加热区域固体设置为绝热边界条件时,等体积热流密度和等壁面热流密度对矩形通道内的换热性能影响不大。

基于流固共轭传热的两相流动数值模拟及燃料子通道CHF预测研究

为对过冷沸腾两相流动进行准确模拟,并探索临界热流密度(CHF)预测方法,本文基于共轭传热和两相C FD分析的方法,通过流固界面耦合,建立流固共轭传热两相流动耦合求解的数值模型.首先通过典型燃料棒栅元过冷沸腾两相流动的模拟,验证数值模型的正确性.随后对燃料子通道内两相流动进行模拟,并在两相流动模拟的基础上,通过准瞬态的方法,建立与CHF试验过程非常近似的CHF预测方法,将加热壁面的温度飞升作为CHF判定的标准,实现对燃料组件子通道CHF的数值预测.研究表明,本文建立的数值模拟方法,可为燃料组件或其他换热系统的CHF预测奠定基础,为燃料组件的设计提供新的辅助手段.

基于CFD共轭传热的恒温箱仿真与优化分析

基于CFD共轭传热技术,分别针对恒温箱内部流场在无风扇自然对流以及有风扇强制对流下的两种不同情形进行数值仿真,研究外壁高度、外壁传热系数、加热管功率和翅片材料四个参数对恒温箱内部流场的影响,并针对温场均匀性进行参数优化分析。结果表明,恒温箱外壁高度越高,内部温差越大;选择密度与比热容的乘积较小的材料做翅片可使加热时间更短,同时温差更小;自然对流下,观察段40cm间的温度均匀性往往超过2℃,且稳定时间很短;引入风扇的强制对流后,温度场的均匀性得到了很好的改善,恒温箱内的温差明显变小,观察段40cm间的温度均匀性最优能控制在0.02℃以内。CFD共轭传热技术可对恒温箱流场进行有效分析,为恒温箱的研究与应用提供一定的借鉴意义。

微波加热煤储层的共轭传热模型

为研究微波和常规加热时煤储层内温度场的演化规律及储层瓦斯解吸量的变化规律,采用理论分析和数值模拟的试验方法,构建以岩石SEM图像为几何特征,瓦斯和煤基质块体为传热介质的共轭传热模型,对比常规加热和微波功率为1W、3W、5W和7W时温度场的演化过程.结果表明:微波加热时热量由煤储层内向外传递,传热速率是常规加热的1.5倍,且传热速率与微波功率呈对数增长关系;温度场的分布在微波电场传播方向上具有明显的阶段性和区域分布不均匀性,在距离微波端口处温度值最大,随距离增加温度值快速降低;在端口附近200μm的范围内温度的极差值是中部区域的14倍;瓦斯的吸附量随功率的增大基本呈线性递减关系.

基于共轭传热的混凝土三维温度场数值计算

采用有限单元法研究了冷却水管对混凝土固化期温度场的影响。通过水管与混凝土之间的共轭耦合传热计算,获得了弯曲水管作用下水流场、温度场以及努塞尔换热系数沿管程的分布形态特性。数值结果表明,两种计算方法所得到的温度场具有相似的分布规律,而共轭传热法计算的温度相对近似法要高,最大温差值在0.8℃。共轭法计算时间虽较长,但数值结果能够真实地反映混凝土水化过程中水动态流动对温度场的影响。

蒸汽压缩蒸馏装置(VCD)FLUENT共轭传热模拟

蒸汽压缩蒸馏装置(VCD)是空间站进行废水回收的关键设备。查阅相关文献,分析蒸汽压缩蒸馏装置工作特点,建立了蒸汽压缩蒸馏装置共轭耦合传热模型、三维实体模型及有限元模型;基于FLUENT软件两相流模型,通过相变UDF程序实现相变过程,对模型进行三维数值模拟,分析蒸汽压缩蒸馏装置流体运动和流固间的共轭传热,得到装置工作过程中的汽液两相分布特点,为下一步对蒸汽压缩蒸馏装置的结构及运动参数优化提供了参考依据,同时也体现了数值模拟计算对蒸汽压缩蒸馏装置的工程应用价值。

热风加热沥青路面的湍流共轭传热与温度场预测

为了揭示沥青路面传热机理,研究了热风冲击射流对流换热和沥青路面内部导热的共轭传热过程,建立了热风加热沥青路面的冲击射流湍流共轭传热理论模型,采用大涡模拟研究了沥青路面温度场分布,获得了沥青路面温度场样本数据.利用本征正交分解法(POD)对温度场样本数据进行降阶处理,选取径向基函数插值方法,预测出了沥青路面温度场分布.仿真和实验结果表明:热风加热沥青路面冲击射流的湍流模型计算结果与实验温度的平均误差为5.4%;温度场预测精度随着选取模态阶数的增大而增强,采用POD分解与径向基函数插值方法计算温度场耗时仅为数值计算时间的0.63%,实现了沥青路面温度场快速且高精度的预测.

基于CFD的发动机冷却水套共轭传热分析

以某发动机冷却水套为研究对象,采用CATIA构建了试验样机的三维模型,在对物理模型、实验数据测取及边界条件分析的基础上,利用流体分析软件STAR-CCM+进行流动与传热的流固共轭传热分析,得到了冷却水套内流场分布和传热特性。研究表明:仿真结果与实验测试结果较接近,CFD计算结果可靠;整体流速分布较均匀,不存在流动死区,且水套平均流速均大于0.5 m/s,满足冷却水套的最低流速设计准则。热负荷较高的区域具有较大的流速和传热系数,有利于该区域散热。本研究可为冷却水套样机结构改进及冷却性能优化提升提供仿真数据及理论参考。

基于共轭传热计算的换热器热应力分析

次级换热器属于机载环控系统的主要附件,负责冷却涡轮压气机后的高温高压空气。为了分析某次级换热器服役过程中产生的热应力,首先对其传热与流动进行数值模拟,建模时针对产品的结构特点划分为周期性单元及侧板单元两类计算模型,并提出将周期性单元的周期边界结果传递到侧板单元中作为约束条件的数值模拟策略,通过侧板单元中的共轭传热计算得到了结构上的温度分布;然后对换热器整体进行分析,在侧板结构上加载所获取的温度场结果并设置其他约束条件得出热应力分布。对比实验数据发现,数值模拟结果误差均在10%以内,共轭传热数值模拟策略在航空换热器热应力分析中的有效性得到了验证。

发动机冷却水套流场及考虑沸腾的共轭传热分析

对某双缸发动机冷却水套内部冷却液流动及其传热特性进行了数值模拟,对冷却水套排气侧及鼻梁区等高温区域的冷却液流动均匀性及流速进行了分析评估.结果表明,该冷却水套左缸鼻梁区流动分布较差.冷却水套结构改进后左右两缸流动均匀性得到改善.利用共轭传热分析方法搭建了冷却水套和发动机固体间的流固耦合模型,同时考虑了沸腾传热的影响.结果表明考虑沸腾传热的发动机固体最高温度与不考虑沸腾传热的温度结果低6℃,高温区域局部沸腾传热可有效强化该区域的换热,从而降低发动机缸头的高热负荷.

汽车排气系统共轭传热与机舱热管理的仿真和试验研究

以基于汽车整车环境下计算出的排气系统外壁面的对流换热系数来描述排气系统周围的流场分布状况,建立了排气系统的仿真模型,运用双向STAR-CCM+至STAR-CCM+共轭传热协同仿真计算得到了排气系统外壁面的温度分布结果,并将其作为汽车机舱热管理仿真模型的热边界条件,分别对怠速和爬10%坡度工况进行了三维稳态模拟。在环境舱中对整车进行热害试验,对比分析了协同仿真和传统仿真与试验结果的误差。结果表明,协同仿真获得的零部件表面温度分布情况更接近于实际。

基于共轭传热的异步电动机定子温度场数值计算

采用共轭传热的方法,建立了计算异步电动机定子三维温度场的物理模型和数学模型,避免了通风沟和气隙中边界条件的确定,运用商用CFD软件FLUENT进行计算,将温度场计算结果和实测值进行比较,说明了本方法的准确性。

基于有限元的流固共轭传热程序开发验证

为实现对共轭传热问题的仿真研究,本文基于有限元算法在MOOSE平台下开发一套用于流固共轭传热问题的计算程序。该程序采用传统连续伽辽金有限元法求解固体区域的结构传热问题,引入SUPG/PSPG稳定算法以解决流体对流-扩散方程中因对流占主导造成的振荡问题以及速度压力失耦问题,采用k-ω湍流模型进行湍流流动求解。对于全场的共轭传热问题,程序采用全耦合隐式格式进行求解。通过与文献中实验及理论结果对比,证明了该程序对于基本流动以及共轭传热问题计算的正确性。研究结果表明,程序计算结果与实验数据、DNS等结果表现出良好的一致性。本研究开发的程序具备不可压流动换热、固体传热、共轭传热等问题的计算能力。

不同热物性下串联双圆柱共轭传热的数值分析

基于Chimera网格采用有限体积法模拟串联双圆柱在亚临界区的共轭传热,采用二维瞬态N-S方程,结合RNG k-ε湍流模型和压力Poisson方程方法,分析亚临界区(Re=6×104)不同固体与流体热容比以及导热系数比下,圆柱表面努赛尔数和圆柱内无量纲温度的变化规律.结果表明,圆柱内温度稳定后最高温度随着导热系数比的提高减小并逐渐趋于平缓,但体积热容比对于稳定后的温度场影响并不明显;另外圆柱内部最高温度位置随导热系数比提高而向后圆柱后部移动;下游圆柱的表面温度以及柱内最高温度均高于上游圆柱,而上游圆柱努赛尔数要高于下游圆柱.