三维热交换管道的数值模拟与优化
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•三维模型计算
•与二维模型比较
•优化
方案
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验证
•流动机理探索（2D-LES）
问题简介
三维模型计算
模型以及网格
使用CATIA建模，导入ANSYS Meshing划分网格，网格数量为37万。
边界条件
按图纸
要求
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设置边界条件，这里不详细说明。
湍流模型以及求解控制
由于Transition SST是在k-e和k-w模型基础上发展
而来，适合剪切流模拟。本问题中，热入口流速明显大于冷
入口，交汇处必然产生类似射流的剪切层流动，况且
Transition SST 对求解存在温度梯度的流场模拟效果较好，
因此使用该模型。控制方程如下：
其中，
采用二阶精度SIMPLE格式迭代选用四方程Transition SST湍流模型
湍流模型以及求解控制
首先使用标准k-e模型一阶精度迭代收敛，然后换用
Transition SST继续迭代，并采用二阶精度。
湍流模型以及求解控制
由于网格质量较好，开始时适当增加亚松弛因子以
提高收敛速度。迭代收敛附近后减小亚松弛因子以提高求解
稳定性。
监控出口处的平均温度和平均速度虽迭代次数的变化
求解结果
出口处的平均温度和平均速度可以反映求解是否满足质量
和能量守恒，通过监控这些曲线可以知道求解是否已经收敛。
迭代曲线
求解结果
从迭代曲线来看，残差保持在很低的水平上，数值
解相对稳定，求解结果是具有可信性的。
三维求解对称面上的计算结果
求解结果
温度云图 速度云图
对称面上的温度云图和速度云图可以帮助我们判断求解结果
是否合理，因为在数值模拟前，我们已经对流场结构作了一些预测。
求解结果
出口处的y方向站位温度分布
管道
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
是否合理主要看管道上温度分布是否均匀，高温会使
管道接口材料热疲劳，寿命降低。因此，观察出口处的温度分布情况是
十分重要的。
出口处的温度分布云图
与二维模型比较
二维结构化网格
求解过程与三维模型相同
三维模型与二维模型的结果比较
温度云图
速度云图
出口温度
2D3D
与二维模型比较的结论
无论从温度还是速度角度比较二维与三维模型，
计算结果差距都非常大。所以使用二维模型计算此类问题，
其结果只能作为定性参考，不具有实际的
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
校核意义。
造成这种现象的原因在于二维流态与三维流态的
本质差异。流动现象以及边界层厚度等都存在差别。
优化方案验证
优化方案介绍
改进之处：
1、热水管前移
2、冷水管分流鼓包
目的：
使出口接口处壁面附近温度场分布更加均匀，避免高温区出现。
网格数量42万
优化方案计算过程
迭代曲线微调过程
优化方案计算结果比较
优化前 优化后
优化成果
近壁面最高温度从原先的305K降低至297.5K，降低7.5K。
优化后的对称面温度场和速度场云图
流动机理探索
模型介绍
为了研究射流换热机理，使用14万结构化网格模拟二维模
型，y+保持在3以内，亚格子模型Cs取0.15，时间步长为0.001秒，
网格如下图。
计算结果
从上图的涡量云图可以看出热水嘴处出现周期性的拟序涡
结构，冷水和热水正是通过这类射流拟序结构实现换热的。
计算结果
随着时间推移，高速热流体射流拟序结构周而复始的在剪
切层上产生并发展。
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