[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流的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　自然界和工程技術(shù)問題中存在著大量因?yàn)闇囟炔钜鸬拿芏炔町悾罱K導(dǎo)致流體發(fā)生運(yùn)動的現(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)迫流動措施的散熱

2、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。某些場合，自然對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，在某些場合，自然對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人員和設(shè)備安全最重要的潛在威脅之一，要保證絕對安全，就必須做到即使在滿負(fù)荷情況下突然停泵，沒有冷劑補(bǔ)充也不執(zhí)行任何人工操作，靠一回路流體的

3、自然對流也能把堆芯的剩余衰變熱量帶出來，使堆芯不致出現(xiàn)過熱。</p><p>　　在沒有強(qiáng)制的流動速度而流體內(nèi)仍存在對流流動的情況，這種情況稱之為自由運(yùn)動或自然對流。因?yàn)樽匀粚α髂擦魉僖话氵h(yuǎn)小于強(qiáng)迫對流的相應(yīng)的速度，相應(yīng)的對流傳遞速率也小，這也許會使人們認(rèn)為自然對流過程不大重要。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流而非強(qiáng)迫對流，比如空

4、氣中的輸電線，而且自然對流不用投入一些動力，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，自然對流都很重要的，自然對流也與環(huán)境科學(xué)有關(guān)，在環(huán)境科學(xué)中自然對流引起海洋和大氣運(yùn)動，并影響與之有關(guān)的熱量交換和質(zhì)量交換過</p><p><b>　　程。</b></p><p>　　1.2 對流傳

5、熱的定義及分類</p><p>　　1.2.1對流傳熱的定義</p><p>　　熱對流是指由于流體的宏觀運(yùn)動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷，熱流體相互摻混所導(dǎo)致的熱量傳遞過程。熱對流僅發(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，因而對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物體表面是流體與物體表面之間的熱量傳遞過程，并稱之為對流傳熱[1]。</

6、p><p>　　流體流過固體表面時(shí)流體與固體間的熱量交換稱為對流傳熱。對流傳熱的換熱量用牛頓冷卻公式計(jì)算。對單位面積有</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　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/m2·k。</p><p>　　對于面積為A的接

7、觸面</p><p><b>　　（1-2）</b></p><p>　　其中h為對流傳熱表面?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。</p><p>　　表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小與對流傳熱過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

8、小與布置，而且還與流速有密切的關(guān)系。在表1-1中給出了幾種對流傳熱過程表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)數(shù)值的大致范圍[1]。</p><p>　　表1-1對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致范圍</p><p>　　1.2.2對流傳熱的分類</p><p>　　對流傳熱現(xiàn)象可以分為有相變與無相變的對流傳熱。在有相變對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。

9、凝結(jié)傳熱可分為管外凝結(jié)傳熱和管內(nèi)凝結(jié)傳熱。在無相變的對流傳熱中可分為混合對流、強(qiáng)制對流與自然對流。強(qiáng)制對流可分為內(nèi)部流動傳熱與外部流動傳熱。自然對流傳熱可分為大空間自然對流傳熱和有限空間自然對流。</p><p>　　1.3 研究對流傳熱的意義</p><p>　　求解對流傳熱問題的工程目的，是要得出對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算規(guī)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

10、原理來說求解導(dǎo)熱與對流傳熱問題的實(shí)質(zhì)都是要獲得物體中的溫度場。只是對于對流傳熱，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)測定的方法。而封閉空腔內(nèi)的自然對流換熱是數(shù)值傳熱學(xué)里的經(jīng)典課題，這種流動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，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)的自然對流換熱問題具有重要的實(shí)用價(jià)

11、值[2]。 </p><p>　　1.4 對流傳熱的影響因素</p><p>　　影響對流傳熱的因素就是影響流動的因素及影響流體中熱量傳遞的因素。這些因素歸納起來可以分為以下五個(gè)方面。</p><p><b>　?。?）流體有無相變</b></p><p>　　在流體沒有相變時(shí)傳熱中的熱量交換是由于流體顯熱的變化而實(shí)現(xiàn)

12、的，而在有相變的換熱過程中（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)律與無相變時(shí)不同。</p><p>　?。?）流體的流動狀態(tài)</p><p>　　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，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。<

13、/p><p>　　（3）換熱表面的幾何因素</p><p>　　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)動方向相對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)制對流流動與流體橫掠圓管的強(qiáng)制對流流動是截然不同的。前一種是管內(nèi)流動，屬于所謂內(nèi)部流動的范圍；后一種是外掠物體流動，屬于所謂外部流動的范圍。這兩種不同流動條件下的換熱規(guī)律必然是不相同的。在自然對流

14、領(lǐng)域里，不僅幾何形狀，幾何布置對流動赤有決定性影響，例如圖1-1(B)所示的水平壁，熱面朝上散熱的流動與熱面朝下散熱的流動就截然不同，它們的換熱規(guī)律也是不一樣的[1]。</p><p><b>　?。ˋ）</b></p><p><b>　?。˙）</b></p><p>　　圖1-1幾何因素的影響</p>

15、<p>　?。?）流體的物理性質(zhì)</p><p>　　流體的物理性質(zhì)對于對流換熱有很大的影響。以無相變的強(qiáng)制對流傳熱為例，流體的密度ρ、動力粘度Π、導(dǎo)熱系數(shù)λ以及比定壓熱容Cp等都會影響流體中速度的分布及熱量的傳遞。因而影響對流傳熱。</p><p>　　2 自然對流傳熱現(xiàn)象的特點(diǎn)</p><p>　　2.1 大空間與有限空間自然對流</p>

16、<p>　　自然對流傳熱區(qū)分為大空間自然對流與有限空間自然對流，又稱為外部自然對流與內(nèi)部自然對流。所謂大空間自然對流，是指熱邊界層的發(fā)展不受到干擾或阻礙的自然對流，而不拘泥于幾何上的很大或無限大。而在有限空間自然對流中，或者邊界層的發(fā)展受到干擾，或者流體的流動受到限制，使其換熱規(guī)律有別于大空間的自然情形[3]。</p><p>　　2.2 大空間自然對流的基本概念</p><p&g

17、t;　　大空間自然對流是指邊界層的發(fā)展不受到干擾或阻礙的自然對流，而不拘泥于幾何上的很大或無限大，物體的體積與所處空間的體積相差很大，其比值趨向于0，也就是說如果流體處于相對很大的空間，只要自然對流不受外部邊界的影響就可認(rèn)為是大空間的自然對流而不必局限于真正的無限大空間[4]。</p><p>　　2.3 均勻壁溫邊界條件的大空間自然對流</p><p>　　設(shè)壁面溫度為tw，環(huán)境溫度（即

18、未受壁面溫度影響的流體溫度）為t∞，則此時(shí)牛頓冷卻公式及格拉曉夫數(shù)中的溫差取為tw-t∞（流體被加熱時(shí)）或tw-t∞（流體被冷卻時(shí)），工程計(jì)算中廣泛采用以下形式的大空間自然對流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，Num為由平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)組成的Nu數(shù)，下角標(biāo)m表示定性溫度采用邊界層的算術(shù)平均溫度。Gr數(shù)中的△t為tw

19、與t∞之差，對于符合理想氣體性質(zhì)的氣體。常壁溫及常熱流密度兩種情況可整理成同類形式的關(guān)聯(lián)式。</p><p>　　上式中的常數(shù)C與系數(shù)n由實(shí)驗(yàn)確定。換熱形狀與位置、熱邊界層條件以及層流或湍流的不同流態(tài)都影響C與n的值。對于兩種典型的表面形狀與位置的情況，特征長度的選擇方案為：豎壁和豎圓柱取高度，橫圓柱取外徑。流態(tài)轉(zhuǎn)變依Gr數(shù)而定。計(jì)算前首先要確定Gr的大小，才能選定合適的C和n值。</p><

20、p>　　采用Gr數(shù)作為傳熱規(guī)律轉(zhuǎn)變的判據(jù)，克服了以往采用Rɑ數(shù)時(shí)不同流體轉(zhuǎn)變判據(jù)數(shù)值各異的缺陷，標(biāo)志著對自然對流傳熱規(guī)律認(rèn)識上的提高。為計(jì)算的方便，下面暫時(shí)介紹仍以Rɑ為判據(jù)確定水平面自然對流平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的實(shí)用關(guān)聯(lián)式，有關(guān)以Gr數(shù)為傳熱規(guī)律轉(zhuǎn)變判據(jù)的研究工作需繼續(xù)進(jìn)行。</p><p>　　對于水平熱面向上（冷面向下）的情形（見圖3-4a、b）</p><p><b>

21、　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　對于熱面向下（冷面向上）的情形（見圖3-4c、d）</p><p>　　(a)熱面向上 (b)冷面向下</p><p>　　(c)熱面向下 (d)冷面向

22、上</p><p>　　圖3-4水平板自然對流傳熱的流動圖像 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　以上兩式中，定性溫度為，特征長度為</p><p>　　其中，Ap、P分別為平板的換熱面積及其周界長度。</p><p>　　在電子器件冷卻問題中經(jīng)常遇到均勻熱流密度的加熱條

23、件。這時(shí)自然對流傳熱的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)可以采用以下兩種方式進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　（1）采用常壁溫公式</p><p>　　對于高為的豎直平板的均勻熱流加熱情形，如果取平板中點(diǎn)的壁溫作為確定數(shù)中的溫差以及牛頓冷卻公式中溫差的壁面溫度，則對于均勻壁溫得出的關(guān)聯(lián)式仍能很好的適用于確定均勻熱流密度時(shí)的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。</p><p><b>　?。?）

24、采用專門公式</b></p><p>　　針對電子器件冷卻問題，對水平板熱面向上與向下的情形，提供了均勻加熱條件下平均表面?zhèn)鳠岬挠?jì)算式</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　這些準(zhǔn)則式的定性溫度取平均溫度，特征長度對

25、矩形取短邊長。由于以上成果是在二維條件下取得的，對于長邊接近短邊長度的矩形，其長邊端部影響不可忽略，準(zhǔn)則數(shù)提供的數(shù)將偏小。</p><p>　　無論是均勻壁溫，還是均勻熱流密度，自然對流湍流時(shí)的傳熱規(guī)律都表明表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是個(gè)與特征長度無關(guān)的常量。利用這一特征，湍流自然對流的實(shí)驗(yàn)研究，可以用比已定特征數(shù)相等所要求的更小尺寸的模型進(jìn)行模型研究，而只要保證仍處于湍流的范圍就可以了。這種特征稱為自模化[5]。</p

26、><p>　　2.4 大空間自然對流的應(yīng)用</p><p>　　2.4.1大空間內(nèi)圓柱自然對流工業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)</p><p>　　不依靠泵或風(fēng)機(jī)等外力推動，而由流體自身溫度場為動力。大空間自然對流應(yīng)用廣泛，比如暖氣管道的散熱、不用風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻的電器元件的散熱，自然對流換熱具有安全、經(jīng)濟(jì)、無噪聲，廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)技術(shù)中。</p><p>　　2.4

27、.2 大空間自然對流在輸電線上的應(yīng)用</p><p>　　在我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫碾娛怯蓪?dǎo)線傳遞過來的，但是電流通過導(dǎo)線傳遞，導(dǎo)線有電阻，所以導(dǎo)線會產(chǎn)生熱量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可能得出隨著熱量的增加，導(dǎo)線的電阻增大，在電導(dǎo)線散熱這一領(lǐng)域的研究對我國的國民經(jīng)濟(jì)有重要作用，電導(dǎo)線是處于空氣當(dāng)中，所為我們所研究的電導(dǎo)線就屬于我們今天所研究的大空間內(nèi)圓柱體自然對流問題，在一定穩(wěn)定的環(huán)境中，對大空間圓柱體自然對流的研究可以減少電能的損耗

28、和減少導(dǎo)線的用料，在各方面可以取得合適的均值，對我國的國民經(jīng)濟(jì)有重大影響和幫助[6]。</p><p>　　2.4.3 大空間自然對流在微小元器件冷卻的應(yīng)用</p><p>　　微小圓柱物體的大空間自然對流在一些工程應(yīng)用如電子器件的冷卻，熱對流加整流速度計(jì)等，中起著越來越重要的作用。普遍認(rèn)為，微尺度下的圓柱體的大空間自然對流換熱由于物體尺度的變小而使其表面的邊界層變薄，從而使換熱得到強(qiáng)化，

29、但是小尺寸，尤其小于100μm的微細(xì)圓柱外的自然對流換熱并未有實(shí)驗(yàn)方面的系統(tǒng)研究，小尺寸下自然對流的換熱機(jī)理仍然不清楚。自然對流不需要動力，研究加強(qiáng)大空間內(nèi)圓柱體自然對流換熱的方法有著深遠(yuǎn)的工程意義[7]。</p><p>　　2.5大空間圓管外表面自然對流的影響因素</p><p>　　影響因素很多，主要有以下原因：</p><p><b>　　通過由控

30、制方程式</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　可以得出影響大空間圓管外表面自然對流的因素有格拉曉夫數(shù)和普朗特由Gr與Pr我們可以得出一個(gè)新的無量綱數(shù)Ra，我們稱為瑞利數(shù)：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　從而我們

31、可以歸納出影響大空間自然對流的因素如下幾條：</p><p>　　1）重力加速度影響大空間自然對流，具體有不同地理位置，還有就是實(shí)驗(yàn)在電場、磁場等環(huán)境也會影響重力加速度，從而影響大空間自然對流。</p><p>　　2）流體的體脹系數(shù)影響大空間自然對流。</p><p>　　3）管壁與外界空間的溫度差</p><p>　　4）不同管子長度，對

32、管子與外界空間的自然對流影響具大。</p><p>　　5）熱邊界層和流動邊界層對自然對流的影響。</p><p>　　6)管子周圍環(huán)境對管子自然對流的影響。</p><p>　　在管排中，管間距相對大小的不同對自然換熱有影響，管間距的相對大小的不同會涉及產(chǎn)生最大流速的位置。管間距不同，模擬值與實(shí)驗(yàn)值每次有差異[1]。</p><p>　　3

33、 水平管外自然對流換熱實(shí)驗(yàn)</p><p><b>　　3.1 實(shí)驗(yàn)原理</b></p><p>　　根據(jù)量綱分析知道，水平圓柱與流體間自然對流換熱可以表示成：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　其中 </p>

34、;<p>　　經(jīng)驗(yàn)表明式 可以表示成下列形式：</p><p>　　其中系數(shù)C與指數(shù)n在一定的數(shù)值范圍內(nèi)為常數(shù)，下表m表示定性溫度取為壁溫與遠(yuǎn)離水平圓柱體處的流體溫度的平均值。本實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)就是要確定所實(shí)驗(yàn)的的數(shù)值范圍內(nèi)C與n的值。為此必須要知道在不同試驗(yàn)工況下，上述準(zhǔn)則數(shù)中的各個(gè)物理量。它們中g(shù)為常數(shù)（），d，，可以直接測定。</p><p>　　從而查表可以得到等物性數(shù)

35、據(jù)。放熱系數(shù)h不能直接測出，必須通過測定壁溫，放熱等在根據(jù)定義式算出。實(shí)驗(yàn)用的水平圓柱體被其內(nèi)部電加熱器加熱，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定工況時(shí)，這是加熱量通過圓柱體表面的自然對流與輻射向外散發(fā)：</p><p>　　（w） (3-2)</p><p>　　其中為黑體輻射系數(shù)，其值為5.67（）。</p><p>　　是圓柱體表面黑度，取為0.06&l

36、t;/p><p>　　是圓柱體表面平均溫度（）， （k）</p><p>　　是圓柱體表面的空氣溫度（），（k）</p><p>　　F為圓柱體的表面積，（）</p><p><b>　　由式</b></p><p><b>　?。╳）</b></p><p&

37、gt;　　可以得出實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)計(jì)算換熱系數(shù)公式：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　式中加熱量Q通過測定電加熱器的功率來得出，，用熱電偶測量，圓柱體的長度與直徑已標(biāo)明在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，所以試驗(yàn)中實(shí)際要測定量就是功率P，壁溫及空氣溫度。</p><p>　　3.2 溫度場的測定和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算</p>

38、<p><b>　?。?）溫度場的測定</b></p><p>　　經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)我們可以得到一個(gè)較完整的溫度場分布圖，下面我介紹一下空間熱電偶的分布：</p><p>　　以加熱管為中心，為了不影響流動的狀態(tài)，我們將其按梯形分布，我們共布置16個(gè)測點(diǎn)在其周圍：</p><p>　　在左側(cè)布置四個(gè)熱電偶，第一個(gè)距圓管0.3cm，第二

39、個(gè)距第一個(gè)0.3cm，第三個(gè)距第二個(gè)0.1cm，第四個(gè)距第三個(gè)0.3cm。</p><p>　　在加熱管上方布置四個(gè)熱電偶，第一個(gè)距圓管0.6cm，第二個(gè)距第一個(gè)1.2cm，第三個(gè)距第二個(gè)0.7cm，第四個(gè)距第三個(gè)1.6cm.</p><p>　　在加熱管右側(cè)布置四個(gè)測點(diǎn)，第一個(gè)距圓管0.5cm，第二個(gè)距第一個(gè)0.3cm，第三個(gè)距第二個(gè)0.3cm, 第四個(gè)距第三個(gè)0.4cm。</p&

40、gt;<p>　　在加熱管下方布置四個(gè)測點(diǎn)，第一個(gè)距圓管0.2cm，第二個(gè)距第一個(gè)0.1cm，第三個(gè)距第二個(gè)0.2cm，第四個(gè)距第三個(gè)0.2cm。</p><p>　　分布圖如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1 大空間的測溫點(diǎn)的布置</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算</p><p>　　由于本實(shí)驗(yàn)受周圍環(huán)境的影響

41、較大，如空間內(nèi)的空氣的溫度、濕度、空氣的流動變化等因素都有關(guān)，所以我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)在一個(gè)空的大房間內(nèi)進(jìn)行，并且要求沒有人員在走動，保持空氣的自然狀態(tài)。作出如下表3-1所示的數(shù)據(jù)。</p><p>　　并且計(jì)算出了空氣的物性。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表3-2所示</p><p>　　表3-1 實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)</p><p>　　表3

42、-2 實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果</p><p>　　4 應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行水平圓管道外空氣自然對流的數(shù)值模擬的前處理</p><p>　　4．1 ANSYS軟件介紹</p><p>　　4.1.1 ANSYS簡介</p><p>　　ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力

43、、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間[8]。</

44、p><p>　　到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的5.7版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、

45、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具[8]。</p><p>　　圖4-1 ANSYS圖形界面</p><p>　　4.1.2 ANSYS軟件主要功能</p><p>　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、

46、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言擴(kuò)展宏命令功能[9]。</p><p>　　4.1.3 ANSYS軟件主要特點(diǎn)</p><p>　　ANSYS有兩種模式：一種是交互模式，另一個(gè)是非交互模式。交互模式是初學(xué)者和大多數(shù)使

47、用者所采用，包括建模、保存文件、打印圖形及結(jié)果分析等，一般無特別原因皆用交互模式。但若分析的問題要很長時(shí)間，如一、兩天等，可把分析問題的命令做成文件，利用它的非交互模式進(jìn)行分析。</p><p>　　運(yùn)行該程序一般采用 Interactive 進(jìn)入，這樣可以定義工作名稱，并且存放到指定的工作目錄中。若使用 Run Interactive Now 進(jìn)入還需使用命令定義工作文件名或使用默認(rèn)的文件名，使用該方式進(jìn)入一般

48、是為恢復(fù)上一次中斷的分析。所以在開始分析一個(gè)問題時(shí)，建議使用 Interactive 進(jìn)入交互模式。</p><p>　　憑借這6個(gè)窗口可以非常容易的輸入命令、檢查模型的的建立、觀察分析結(jié)果及圖形輸出與打印。目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量可由

49、單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值得到。由于單元形狀簡單，易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量的方程式，然后將各單元方程集組成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后可對方程求解。</p><p>　　4.2建立水平圓管道外空氣自然對流的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　4.2.1建立實(shí)體模型</p><p>　　在上一章里已介紹了有限的直法建模，但該方法對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建立過程復(fù)雜而且

50、容易出錯(cuò)，因此這里引入實(shí)體模型的建立，與一般的CAD軟件一樣，利用點(diǎn)、線、面、體積組合而成。實(shí)體模型幾何圖形決定之后，由這界來決定網(wǎng)格，即每一線段要分成幾個(gè)元素或元素的尺寸是多大。決定了每邊元素?cái)?shù)目或尺寸大小之后，ANSYS的內(nèi)建程序即能自動產(chǎn)生網(wǎng)格，即自動產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和元素，并同時(shí)完成有限元模型。</p><p>　　現(xiàn)今所有的有限元分析都用實(shí)體建模，類似于CAD，ANSYS以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，用于在里

51、面填充節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何邊界上方便的施加載荷，但是幾何實(shí)體模型并不參與有限元分析，所有施加在有限元邊界上的載荷或約束，必須最終傳遞到有限元模型上（節(jié)點(diǎn)和單元）進(jìn)行求解[11]。</p><p><b>　　實(shí)體模型的建立方法</b></p><p>　　實(shí)體模型建立有下列方法：</p><p>　?。?）由下往上法（bottom-up M

52、ethod）</p><p>　　由建立最低單元的點(diǎn)到最高單元的體積，即建立點(diǎn)，再由點(diǎn)連成線，然后由線組合成面積，最后由面積組合建立體積。</p><p>　　（2）由上往下法（top-down method）及布爾運(yùn)算命令一起使用</p><p>　　此方法直接建立較高單元對象，其所對應(yīng)的較低單元對象一起產(chǎn)生，對象單元高低順序依次為體積、面積、線段及點(diǎn)。所謂布爾運(yùn)

53、算為對象相互加、減、組合等。</p><p>　　（3）混合使用前兩種方法</p><p>　　依照個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，可結(jié)合前兩種方法綜合運(yùn)用，但應(yīng)考慮到要獲得什么樣的有限元模型，即在網(wǎng)格化分時(shí)，要產(chǎn)生自由網(wǎng)格劃分或?qū)?yīng)網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格劃分時(shí)，實(shí)體模型的建立比較簡單，只要所有的面積或體積能接合成一個(gè)體就可以，對應(yīng)網(wǎng)格劃分時(shí)，平面結(jié)構(gòu)一定要四邊形或三邊形面積相接而成，立體結(jié)構(gòu)一定要六面體相接而成

54、。</p><p>　?。?）我們所實(shí)驗(yàn)的圓管道是半徑為0.02厘米的圓柱體形的管道，</p><p>　　為建立圓管道模型按如下步驟走：</p><p>　　單擊主菜單中Preprocessor/Modeling/Create/Volumes/Cylinder/solid Cylinder</p><p>　　會出現(xiàn)圖4-2所示的對話框，并

55、按對話框中所示的填，對話框中0.04表示圓柱體的半徑是0.04m，對話框中0.5表示圓柱體的長度是0.5m。</p><p>　　圖4-2 建立有限元模型對話框</p><p>　　然后按下OK按鈕會得到如圖4-3所示的實(shí)體模型。：</p><p>　　圖4-3 用ANSYS軟件建立的水平圓管道實(shí)體模型</p><p>　　4.2.2 建立有

56、限元模型</p><p>　　目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值得到。由于單元形狀簡單，易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量的方程式，然后將各單元方程集組成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后可對方程求解。</p&

57、gt;<p><b>　　有限元的基本構(gòu)成：</b></p><p>　?。?）節(jié)點(diǎn)（Node）：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應(yīng)。</p><p>　?。?）元素（Element）：元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，元素的組合由各節(jié)點(diǎn)相互連接。不同特性的工程統(tǒng)，可選

58、用不同種類的元素，ANSYS提供了一百多種元素，故使用是必須慎重選則元素型號。</p><p>　　4.3 進(jìn)行網(wǎng)格劃分</p><p>　?。?）網(wǎng)格劃分的步驟</p><p>　　a.建立選取元素?cái)?shù)據(jù)</p><p>　　b.設(shè)定網(wǎng)格建立所需的參數(shù)</p><p><b>　　c.產(chǎn)生網(wǎng)格</b&g

59、t;</p><p>　　第一步是建立元素的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括元素的種類（TYPE），元素的幾何常數(shù)（R），元素的材料性質(zhì)（MP），及元素形成時(shí)所在的坐標(biāo)系統(tǒng)，也就是說當(dāng)對象進(jìn)行網(wǎng)格化分后，元素的屬性是什么。當(dāng)然我們可以設(shè)定不同種類的元素，相同的元素又可設(shè)定不同的幾何常數(shù)，也可以設(shè)定不同的材料待性，以及不同的元素坐標(biāo)系統(tǒng)。</p><p>　　第二步即可進(jìn)行設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù)，最主要是定義

60、對象邊界元素的大小和數(shù)目。網(wǎng)格設(shè)定所需的參數(shù)，將決定網(wǎng)格的大小、形狀，這一步非常重要，將影響分析時(shí)的正確性和經(jīng)濟(jì)性。網(wǎng)格細(xì)也許會得到很好的結(jié)果，但并非網(wǎng)格劃分的越細(xì)，得到的結(jié)果就越好，因?yàn)榫W(wǎng)太密太細(xì)，會占用大量的分析時(shí)間。有時(shí)較細(xì)的網(wǎng)格與較粗的網(wǎng)格比較起來，較細(xì)的網(wǎng)格分析的精確度只增加百分之幾，但占用的計(jì)算機(jī)資源比較起較粗的網(wǎng)格確是數(shù)倍之多，同時(shí)在較細(xì)的網(wǎng)格中，常會造成不同網(wǎng)格劃分時(shí)連接的困難，這一點(diǎn)不能不特別注意。</p>

61、<p>　　完成前兩步即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成有限元模型的建立，如果不滿意網(wǎng)格化的結(jié)果，也可清除網(wǎng)格化，重新定義元素的大小、數(shù)目，再進(jìn)行網(wǎng)格化，直到得到滿意的有限元結(jié)果為止。</p><p>　　實(shí)體模型的網(wǎng)格化可分為自由網(wǎng)格化（Free Meshing）及對應(yīng)網(wǎng)格化（Mapped Meshing）兩種不同的網(wǎng)格化，對于建構(gòu)實(shí)體模型過程有相當(dāng)大的影響。自由網(wǎng)格化時(shí)實(shí)體模型的構(gòu)建簡單，無較多限制。反之

62、，對應(yīng)網(wǎng)格化，實(shí)體模型的建立比較復(fù)雜，有較多限制。</p><p>　　(2) 網(wǎng)格劃分工具</p><p>　　網(wǎng)格劃分工具是網(wǎng)格控制的一種快捷方式，它能方便的實(shí)現(xiàn)單元屬性控制、智能網(wǎng)格劃分控制、尺寸控制、自由網(wǎng)格劃分和對應(yīng)網(wǎng)格劃分、執(zhí)行網(wǎng)格劃分、清除網(wǎng)格劃分以及局部細(xì)分。參見下面的圖4-4。</p><p>　　圖4-4網(wǎng)格劃分工具</p><

63、;p>　　程序默認(rèn)為自由網(wǎng)格劃分，元素形狀以四邊形、六面體為準(zhǔn)優(yōu)先，三角形、角錐次之，網(wǎng)格化時(shí)，如果實(shí)體模型能夠?qū)?yīng)網(wǎng)格化，而且相對應(yīng)邊長度不是差的很多，則必以以應(yīng)網(wǎng)枸化優(yōu)先考慮進(jìn)行。</p><p>　　網(wǎng)格劃分工具中，我們一般只用它的一兩組功能，即可達(dá)到要求。這里有必要知道尺寸控制的優(yōu)先級。進(jìn)行設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù)，最主要是定義對象邊界元素的大小和數(shù)目。網(wǎng)格設(shè)定所需的參數(shù)，將決定網(wǎng)格的大小、形狀，這一步非

64、常重要，將影響分析時(shí)的正確性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　網(wǎng)格細(xì)也許會得到很好的結(jié)果，但并非網(wǎng)格劃分的越細(xì)，得到的結(jié)果就越好，因?yàn)榫W(wǎng)太密太細(xì)，會占用大量的分析時(shí)間。有時(shí)較細(xì)的網(wǎng)格與較粗的網(wǎng)格比較起來，較細(xì)的網(wǎng)格分析的精確度只增加百分之幾，但占用的計(jì)算機(jī)資源比較起較粗的網(wǎng)格確是數(shù)倍之多，同時(shí)在較細(xì)的網(wǎng)格中，常會造成不同網(wǎng)格劃分時(shí)連接的困難，這一點(diǎn)不能不特別注意。</p><p>　　完成前

65、兩步即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成有限元模型的建立，如果不滿意網(wǎng)格化的結(jié)果，也可清除網(wǎng)格化，重新定義元素的大小、數(shù)目，再進(jìn)行網(wǎng)格化，直到得到滿意的有限元結(jié)果為止。</p><p>　　實(shí)體模型的網(wǎng)格化可分為自由網(wǎng)格化及對應(yīng)網(wǎng)格化兩種不同的網(wǎng)格化，對于建構(gòu)實(shí)體模型過程有相當(dāng)大的影響。自由網(wǎng)格化時(shí)實(shí)體模型的構(gòu)建簡單，無較多限制。反之，對應(yīng)網(wǎng)格化，實(shí)體模型的建立比較復(fù)雜，有較多限制。</p><p>

66、　　在ANSYSA中建立有限元模型的操作步驟如下，在ANSYS軟件主菜單中進(jìn)行如下按步驟：</p><p>　　Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Circle/Annulus</p><p>　　然后出現(xiàn)如圖4-5所示的對話框：</p><p>　　圖4-5 建立有限元模型對話框</p><p>　　上面的

67、對話框中的0.02表示中間的水平圓管道的半徑是0.02m,其下面的0.5表示水平圓管道外直徑為1m空間內(nèi)的空氣，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其步驟如下，在主菜單中Preprocessor/Meshing/Mesh Tool</p><p>　　會出現(xiàn)網(wǎng)格劃分工具如上述圖4-4所示，勾選smart size，調(diào)整網(wǎng)格劃分密度，點(diǎn)擊Mesh按鈕，然后在假設(shè)溫度變化較大的地方在進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在網(wǎng)格劃分工具中點(diǎn)擊Refine選擇要

68、細(xì)化的區(qū)域，然后出現(xiàn)網(wǎng)格密度編輯對話框如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6網(wǎng)格密度編輯對話框 </p><p>　　在輸入框中輸入網(wǎng)格密度然后點(diǎn)擊ok按鈕會生成有限元模型。</p><p>　　下面的圖4-7 中劃分網(wǎng)格的區(qū)域表示水平圓管道外的空氣，中間的黑圓形表示管道，它周圍的藍(lán)色表示空氣。 </p><p>　　圖4-7水平圓管

69、道外的空氣的有限元模型</p><p>　　有限元分析中適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度能使分析結(jié)構(gòu)既能達(dá)到求解的精度要求，又能達(dá)到求解的速度要求。如何選用網(wǎng)格密度也不僅僅是軟件的使用技巧問題，最關(guān)鍵的是用戶的經(jīng)驗(yàn)。在此可以為用戶提供一些基本的處理方法和技巧。利用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，能產(chǎn)生滿足能量誤差估計(jì)準(zhǔn)則得網(wǎng)格。但是對于線性結(jié)構(gòu)靜力或者穩(wěn)態(tài)熱問題，還需要依據(jù)分析要求，將有限元分析結(jié)果與之前的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)構(gòu)及已知的解析進(jìn)行對照，將偏差

70、過大的部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；對一個(gè)被認(rèn)為是合理的網(wǎng)格劃分進(jìn)行初始分析，然后對危險(xiǎn)區(qū)域利用兩倍的網(wǎng)格重新分析，并且比較兩者結(jié)果。如果兩者幾乎相同，就可認(rèn)為網(wǎng)格也具有足夠的精度。否則應(yīng)該繼續(xù)細(xì)化，一直到滿足上述條件；若希望網(wǎng)格測試顯示只有模型的一部分需要更細(xì)的網(wǎng)格，可以對模型進(jìn)行子建模，以放大危險(xiǎn)區(qū)域。</p><p>　　網(wǎng)格劃分的密度非常重要，若網(wǎng)格過于粗糙，結(jié)果就有可能包含錯(cuò)誤，如果網(wǎng)格過于精細(xì)，有直接導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間

71、過長，甚至還很會導(dǎo)致由于硬件條件而無法計(jì)算的問題。所以在建立有限元模型以前，必須仔細(xì)地考慮這個(gè)問題。</p><p>　　以上的有限元模型是水平圓管道外空氣生成網(wǎng)格劃分的模型，圓形的離中心越近的部分網(wǎng)格越細(xì)，因?yàn)殡x管道越近的地方空氣溫度的變化越大，所以我們在建立網(wǎng)格劃分時(shí)要在離圓的中心越近的部分越細(xì)，其他部分網(wǎng)格密度比較小也不影響求解結(jié)果，因?yàn)殡x圓管道越遠(yuǎn)的地方空氣的溫度變化越小，甚者不發(fā)生什么變化。</p

72、><p>　　5 應(yīng)用ANSYS軟件求解水平圓管道外空氣自然對流問題</p><p>　　5.1定義單元類型和材料屬性</p><p><b>　?。?）定義單元類型</b></p><p>　　在有限元模型上定義載荷，施加約束和初級條件，邊界條件，是建模的又一重要環(huán)節(jié)。這些操作中，要特別注意計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)實(shí)際情況的一致性，

73、即必須引入正確的符合實(shí)際的有限元熱力分析定界條件。</p><p>　　在ANSYS軟件主菜單中單擊Preferences 會出現(xiàn)如圖5-1所示的對話框其中勾選FLOTRAN CFD流體分析模塊。</p><p>　　圖5-1 過濾圖形用戶界面對話框</p><p>　　ANSYS程序中FLOTRAN CFD分析功能是利用二維及三維流體流場工具。用ANSYS中用于F

74、LOTRAN CFD分析的FLUID141和FLUID142單元，可解決如下問題：</p><p>　　a.作用于氣動翼（葉）型上的升力和阻力。</p><p>　　b.超聲速噴管中的流場。</p><p>　　c.彎管中流體的復(fù)雜的三維流動。</p><p>　　同時(shí)，F(xiàn)LOTRAN CFD還具有如下功能：</p><p

75、>　　a.計(jì)算發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體的壓力及溫度分布。</p><p>　　b.研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離。</p><p>　　c.使用混合流研究來估計(jì)熱沖擊的可能性。</p><p>　　d.用自然對流分析來估計(jì)電子封裝芯片的熱性能。</p><p>　　e.對含有多種流體的（由固體隔開）熱交換器進(jìn)行研究。</p>&

76、lt;p>　　有限元模型建立好以后要定義邊界條件，首先進(jìn)行設(shè)置流體性質(zhì)。操作步驟如下：</p><p>　　單擊主菜單中的 Preprocessor/element type/Add/Edid/delete</p><p>　　會出現(xiàn)單元類型選擇對話框如圖5-2所示</p><p>　　圖5-2 單元類型列表對話框 </p><p>　

77、　途中選擇2DFLOTRAN 141選項(xiàng)，單擊ok按鈕。</p><p><b>　?。?）定義材料屬性</b></p><p>　　按一下步驟進(jìn)行Preprocessor/material props/ material models</p><p>　　出現(xiàn)定義材料屬性對話框如圖5-3</p><p>　　圖5-3

78、流體屬性對話框</p><p>　　在對話框中單擊conductivity（導(dǎo)熱系數(shù)）,specific heat（比熱容）,denisty（密度）,viscosity（粘度）,emissivity（發(fā)射率），分別進(jìn)行定義屬性。</p><p><b>　　5.2定義邊界條件</b></p><p>　　5.2.1定義重力加速度</p&g

79、t;<p>　　在主菜單中選擇FLOTRAN set up/Flow Environment/gravity 然后出現(xiàn)重力加速度定義對話框如圖5-4所示，</p><p>　　在ACELY ACCEL in Ydirection 所對應(yīng)的位置輸入重力加速度9.81，然后單擊ok按鈕，其單位是國際單位。</p><p>　　圖5-4 定義重力加速度對話框</p>

80、<p>　　5.2.2定義流體的流動性屬性</p><p>　　在主菜單中選擇Solution/FLOTRAN set up/Fluid properties 會出現(xiàn)流體流動性定義對話框如圖5-5所示</p><p>　　圖5-5 空氣屬性對話框</p><p>　　在所有選框中選擇AIR-SI，表示空氣，所有NO改成YES，這表示空氣的密度，粘度，導(dǎo)熱系

81、數(shù)，比熱容隨溫度變化。</p><p>　　5.2.3定義管壁溫度和表面換熱系數(shù)</p><p>　　按如下步驟進(jìn)行定義管壁溫度和表面換熱系數(shù)Solution/Defineloads/</p><p>　　Convection/onlines，選擇中間的圓形，單擊ok按鈕會彈出如圖5-6所示的對話框。</p><p>　　圖5-6 施加邊界條

82、件對話框</p><p>　　在VALI Film coefficient 選項(xiàng)所對應(yīng)的輸入框中輸入表面換熱系數(shù)，</p><p>　　在VAL2I Bulk temperature 所對應(yīng)的輸入框中輸入管壁溫度，其它選項(xiàng)為默認(rèn)，然后單擊ok按鈕，完成定義管壁溫度和表面換熱系數(shù)。</p><p>　　5.2.4 定義環(huán)境溫度和空氣導(dǎo)熱系數(shù)</p>&l

83、t;p>　　按如下步驟進(jìn)行定義環(huán)境溫度和空氣導(dǎo)熱系數(shù)Solution/Defineloads/</p><p>　　Convection/onlines 選擇四邊形的四周，單擊ok按鈕會彈出如圖5.6所示的對話框，在VALI Film coefficient 選項(xiàng)所對應(yīng)的輸入框中輸入空氣的導(dǎo)熱系數(shù), 在VAL2I Bulk temperature 所對應(yīng)的輸入框中輸入環(huán)境溫度，其它選項(xiàng)為默認(rèn)，然后單擊ok按

84、鈕，完成定義環(huán)境溫度和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。</p><p><b>　　5.3求解問題</b></p><p>　　在主菜單中選擇Solution/solve/current LS 會彈出求解提示框</p><p>　　單擊ok按鈕ANSYS程序會自動進(jìn)行對問題的求解。</p><p>　　目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法

85、有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列的單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)相連。單元內(nèi)部的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值得到。由于單元形狀簡單，易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量的方程式，然后將各單元方程集組成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后可對方程求解。</p><p><b>　　5.4后處理</b><

86、;/p><p>　　5.4.1 水平圓管道外空氣自然對流溫度分布圖</p><p>　　為了求出水平圓管道外空氣自然對流的溫度分布圖進(jìn)行如下步驟：</p><p>　　General Postproc/Plot results/contour Plot/Nodal Solu 會彈出解答數(shù)據(jù)對話框如圖5-7所示：</p><p>　　圖5-7 解答

87、數(shù)據(jù)對話框 </p><p>　　選擇Nodal Temperrature，然后單擊ok按鈕，可以求出我溫度分布場，下面的圖5-8是應(yīng)用ANSYS軟件求出來的水平圓管道外空氣自然對流的溫度分布場，中間的黑圓形表示水平放置的圓管道，它周圍的各種顏色表示水平圓管道外空氣的溫度分布。</p><p>　　圖5-8水平圓管道外空氣的溫度場分布</p><p>　　此時(shí)的參數(shù)

88、如下表5-1所示：</p><p>　　表5-1水平圓管道外空氣自然對流數(shù)值模擬參數(shù)</p><p>　　為了更清晰的觀察水平圓管道外空氣自然對流的溫度分布場，把管道附近放大，放大以后的效果如圖5-9所示，中間的黑色區(qū)域表示管道，周圍的各種顏色表示不同的溫度邊界層。</p><p>　　圖5-9水平圓管道外空氣的溫度場分布圖</p><p>

89、　　5.4.2水平圓管道外空氣的速度分布圖</p><p>　　為了求出水平圓管道外空氣自然對流的速度分布場要進(jìn)行如下步驟：</p><p>　　在ANSYS主菜單中選擇General postpoc/Plot results/vector Plot/prede fined 會彈出向量的確定對話框如圖5-10所示</p><p>　　圖5-10 向量的確定對話框&l

90、t;/p><p>　　單擊ok按鈕就會ANSYS程序求就會求出速度場分布圖如圖5-11所示</p><p>　　下面的圖表示水平圓管道外空氣的速度分布圖，中間的圓形區(qū)域表示被加熱的圓管道，其周圍表示的是空氣，圖中的箭頭表示空氣的流速方向,其中不同的顏色表示不同的流速。</p><p>　　圖5-11水平圓管道外空氣的速度分布圖為了觀察方便把管道附近的區(qū)域放大起來，如下

91、圖5-12所示:</p><p>　　圖5-12水平圓管道外空氣的速度分布圖</p><p><b>　　5.5 結(jié)果分析</b></p><p>　　由上面的溫度場的模擬圖片可知，空氣的溫度從中間到周圍逐漸降低，在加熱管的周圍有一定厚度的邊界層，邊界層內(nèi)溫度從內(nèi)到外逐漸降低。</p><p>　　下面的圖5-13是通過

92、實(shí)驗(yàn)做出來的大空間溫度場分布圖 </p><p>　　圖5-13大空間溫度場分布圖</p><p>　　由上面的圖可以知道管壁上空氣的溫度最高，朝上面有溫度降低區(qū)域，然后溫度在升高，然后溫度逐漸降低，降低到環(huán)境溫度，這個(gè)用ANSYS軟件求出來的溫度分布場基本上一樣，唯一不同點(diǎn)是ANSYS軟件求出的溫度分布圖是管壁上方溫度逐漸降低，一直到到環(huán)境溫度，還有一個(gè)問題是ANSYS軟件求出的溫度分布

93、場管壁附近的溫度邊界層比較薄，不能很清楚地看出來管壁附近的溫度邊界層，造成這個(gè)誤差原因是用ANSYS軟件求解問題的時(shí)候網(wǎng)格密度不夠，網(wǎng)格密度越大，求出來的溫度邊界層會很清楚地，但是需要求解的時(shí)間也比較長。</p><p>　　由ANSYS軟件求出的速度分布場可以清晰的看出水平圓管外空氣速度的分布，由速度場的模擬圖像可知，速度由內(nèi)而外先降低再升高，再降低，在加熱管上方的區(qū)域有一個(gè)速度的驟升區(qū)，此時(shí)說明來自管對流的空

94、氣混合到一起，使其速度升高，而此時(shí)換熱效果下降，使其溫度升高，待達(dá)到一定溫度后，由于密度差的強(qiáng)大動力，周圍的空氣向管壁上方集合，使其再次加速流動，速度再次升高，溫度也隨著速度的增加而下降。</p><p>　　做實(shí)驗(yàn)過程中，會造成很多的誤差主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　（1）實(shí)驗(yàn)的測溫?zé)犭娕嫉木炔粔?，靈敏度不高，無法正常的顯示出該點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度。</p><p&

95、gt;　　（2）在實(shí)驗(yàn)中，臨界點(diǎn)的觀測全依賴人眼，主觀上的視覺誤差是無法避免的，這造成的誤差不可忽視。</p><p>　?。?）周圍的環(huán)境時(shí)刻在變化，對其造成的影響也是誤差來源之一。如不同時(shí)刻，環(huán)境的溫度也不同，使得封閉空間的壁溫和空間內(nèi)的空氣溫度升高。環(huán)境的濕度也隨時(shí)間變化。</p><p>　?。?）封閉空間的密封性也會造成一定的誤差。我們所謂的封閉空間是相對的，它是由六塊可活動的有

96、機(jī)玻璃構(gòu)成的立方體，每兩塊接觸處都有一定的縫隙，使得內(nèi)外空氣交換，造成一定的誤差。</p><p>　?。?）對實(shí)驗(yàn)處理的一些參數(shù)的選取，如加熱管的黑度的選取，都是估計(jì)的，對實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有一定的誤差。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　我在做本論文的過程中首先選擇了流體分析模塊，然后定義材料屬性和選擇單元類型。定義

97、材料屬性時(shí)定義了空氣的密度，比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，擴(kuò)散率，粘度等參數(shù)。其后進(jìn)行了水平圓管外空氣自然對流的數(shù)學(xué)模型的建立，然后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)因?yàn)楣艿栏浇臏囟茸兓容^大，因而在管道附近的網(wǎng)格密度要緊密一點(diǎn)，網(wǎng)格密度越大，最后求出的溫度分布場中管壁附近的溫度邊界層的變化越清晰，觀察越方便。但是需要求解的時(shí)間較長，因?yàn)槲易龅倪^程中網(wǎng)格密度不是很大，所以求出的溫度分布場中存在管壁附近溫度邊界層的變化不太清晰的情況，這個(gè)問題可以使網(wǎng)

98、格密度設(shè)置大一點(diǎn)能解決的。</p><p>　　網(wǎng)格密度設(shè)置好以后要進(jìn)行定義邊界條件，定義邊界條件時(shí)要定義重力加速度，環(huán)境溫度，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)。</p><p>　　定義完邊界條件后要進(jìn)行問題的求解，求解是ANSYSY軟件自動進(jìn)行的。</p><p>　　最后進(jìn)行了后處理，后處理主要做的是生成水平圓管外空氣自然對流的溫度分布圖和速度分布圖。將求出