Page 109 - 《橡塑技术与装备》2025年9期

测试与分析
TEST AND ANALYSIS

式中 ρ 为密度， =(ν x ,ν y ,ν z ）为速度矢量，S m 为 R h =1/h 式中，是单位壁表面积上的对流换热热阻
.
2
质量源项，由于本文中流体不可压缩，且不存在质量 [(m K)/W]。
源，因此 (1) 式可简化为 . =0，即速度的散度为 0。
p 为静压力， 为应力张量， 为重力， 为外力（包 2 热油系统模型建立
括源项）。应力张量的表达式 ： 2.1 模型简化
2



( v + ∇
τ = µ ∇  v T  ) − ∇ ⋅ vI （3） 热油系统的主要参数如表 1，环境温度为恒温 20


3

3

∂  摄氏度，系统总流量 65 m /h，假设油属性不随温度变
ρ SST k-ω 2
S +
湍流模型采用 )   v (Γ ∇ 模型，湍动能 k 和比耗散 化。在进行对流换热分析时，以热油系统中重复出现
G
ρ
G − 
Y +
( ) k + ∇ ⋅ 
) k + 
( kv = ∇ ⋅ T 
τ =
µ ∇
T  ) − ∇ ⋅
 ( v + ∇
2 vI
k
k
k
b
k
t ∂


率 ω 的传输方程 ： ( v + ∇ v 3  vI  
µ ∇
τ =
) − ∇ ⋅

3


∂ ∂ ∂ ( ) k + ∇ ⋅ ( kv    ) = ∇ ⋅ (Γ ∇ ) k + G − Y + S + G 的管道结构为分析对象，如图 1 所示。管道加热器由
ρ
ρ
)
(
k
ω
b
k (Γ ∇
(ρω kv = ∇ ⋅
t ∂ (ρω + ∇ ⋅ ρ ) ) v = ∇ ⋅ (Γ ∇ k + k ω k k − Y Y + + k S + G G ω b （4） 空心管和加热棒组成，为了对比分析空心管对温度场
(ρ
w S +
) G+ G −
) ) k + ∇ ⋅
ω
t ∂ t ∂ k k k b 特性的影响，建立了无空心管的加热器模型，如图 2
t −
∂  q = MC P ( 2 t 1 )
)
∂ (ρω + ∇ ⋅ (ρω  ) v = ∇ ⋅ (Γ ∇ ω ) G+ − Y + S + G b （5） 所示。
)
k
) = ) G+
t ∂ (ρω + ∇ ⋅ (ρω q = ) v = ∇ ( h t − ( ⋅ Γ ∇ ω ω ∆ − w Y + ω S + ω G
t ∂ w t k f h t ω w ω ω b
)
MC
t
(t −
q =
t ∆
式中，G k 代表平均速度梯度所产生的湍动能，G ω 表 1 主要参数
1
P
t ∆ 2
MC
q = q = ( 2P t = t− 1 ) 参数名称 值
1
)
t
与其对应，为平均速度梯度所产生的比耗散率。 k 与 20
R =
h h t∆
( h t −
q =
h
环境温度 /℃
f
∆
q = w ( h t − t f ) = h t 总流量 /(m . 3 -1
w
h )
t ∆ =
ω 为有效扩散系数，Y k t ∆ 与 Y ω t ∆为湍流耗散，S k 与 S ω 为 加热器功率 /kW 65
q =
t ∆
40
q = 1
= R
源项，G b 与 G ωb 为考虑浮力的影响。 加热器表面积 /m 2 1.404
h
1
h
R
h
3
1.2 传热基本理论 h 油属性 密度 1 044 kg/m ，动力黏度 0.049 Pa·s，比
.
.
热 1.55 kJ/(kg K)，热传导率 0.131 W/(m K)
传热过程是由热传导、热对流和热辐射三种基本
传热方式组合形成的。本文的研究对象主要以热对流
的方式进行能量输送，依靠流体的运动，把热量由一
处传递到另一处的现象称为热对流。热对流是传热的
另一种基本方式。若热对流过程中单位时间通过单位
2
面积有质量 M[kg/(m . s)] 的流体由温度 t 1 的地方流至
t 2 处，其比热容为 c p [J/(kg . h)]，则此热对流的热流密
度应为 ：
q=MC p (t 2 -t 1 ) （6）
传热工程涉及的问题往往不单纯是热对流，而是
图 1 热油系统三维模型
流体与固体直接接触是的换热过程，传热学把它称为
“ 对流换热 ”，也称为放热。而且因为有温度差，热对
流将同时伴随热传导，所以，对流换热过程的换热机
制既有热对流作用，亦有导热作用。故对流换热与热
对流不同。计算对流换热的基本公式 ：
  T  2  
( v + ∇
v
vI
) − ∇ ⋅
τ = µ ∇ q=h(t w -t f )=hΔt （7）


3


∂ ( ) k + ∇ ⋅ ( kv = ∇ ⋅ (Γ ∇ ) k + G − Y + S + G 图 2 热油系统中重复结构的三维模型（左）；加热器表
式中 t w 为固体壁表面温度，单位℃， t f 为流体温度，

)
ρ
ρ
k
k
k
k
b
t ∂
单位℃，Δt 为壁表面与流体温度差，单位 ℃。h 为对 面（右）
流热表面传热系数，其意义是指单位面积上，流体同
∂

)
S +
(Γ ∇
−
ω
G
(ρω
(ρω + ∇ ⋅
Y +
) v = ∇ ⋅
) G+
b
ω
ω
k
w
ω
壁面之间的单位温差在单位时间内所能传递的能量。h 2.2 网格划分及边界条件
t ∂
)
MC
t −
t
q =
的大小表达了该对流换热过程的强度。按热阻概念改 模 型采 用 多 面体 网 格进 行 离 散，局 部 剖 面图 如
( 2
1
P
q
∆
写的热流密度表达式 ： t= ( h t − f ) = h t 图 3 所示，局部最小尺寸为 1 mm，棱柱层数为 3 层。
w
t ∆ t ∆ 对 流 换 热 分 析 模 型 的 边 界 条 件 如 图 4 所 示， 分 析 中
q = =
1 R （8）
h h 不仅要对模型施加流场边界条件还要施加温度边界
2025 第 51 卷 ·57·
年