方管内混合对流与管壁导热耦合换热数值模拟研究

"方管内混合对流与管壁导热耦合换热的数值模拟 (2012年)" 本文是一篇工程技术领域的论文，主要研究了方管内空气混合对流过程中流体与固体间的耦合换热问题。研究者提出了一个新的计算方法，将管壁的导热效应作为边界条件来处理，以简化流固耦合换热的计算。这种方法假设管壁温度沿轴向呈一维分布，并通过热量平衡法构建边界单元的能量守恒方程，从而将固体区域的导热过程转化为流体区域的边界条件。这样做的目的是提高数值模拟的精度和可靠性。 在数值模拟过程中，研究人员采用了SIMPLER（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations with Relaxation）算法。该算法在处理复杂流动问题时表现出较高的效率，尤其适用于涉及传热和流动耦合的场景。通过对方管内部流场的分析，发现受二次流的影响，热量从加热面沿通道周向同时向两侧快速传递，导致各壁面间的最大温差小于0.5℃。此外，研究还指出，在轴向归一化长度为2到4时，壁面的轴向导热热流密度达到峰值。 论文还探讨了雷诺数（Reynolds Number, Re）和方管倾斜角度（θ）对方管内混合对流换热性能的影响。随着Re的增大，平均努塞尔数（Nusselt Number, Nu）也相应增加，表示换热效率提升。同时，Nu与方管倾角θ的关系显示，最优倾角在-30°到0°之间变化，但当Re超过1500时，Nu对θ的变化变得相对稳定。这些发现对于优化方管内的换热设计具有重要的指导意义。 论文的结果与实验数据对比良好，最大偏差不超过±28.7%，证明了所提出的数值模拟方法的有效性和准确性。关键词包括流固耦合换热、混合对流、数值模拟、壁面导热以及耦合计算，这表明该研究涵盖了多方面的热力学和流体力学概念，对于理解并优化工业中类似热交换系统的性能具有重要价值。