大容量液體恒溫槽溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值模擬.pdf

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1、第36卷第5期河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版Vo1．36No．52015年10月JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology：NaturalScienceOct．20l5文章編號(hào)：1672—6871(2015)05—0036—06大容量液體恒溫槽溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值模擬甄瑞英，尹建國(guó)，趙貫甲，呂萍，馬素霞(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030024)摘要：針對(duì)傳統(tǒng)恒溫槽流動(dòng)均勻性的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行大量試驗(yàn)和測(cè)試的I司題，本文利用fluent軟件，采用

2、重整化群(RNG)一s湍流模型，對(duì)大容量液體恒溫槽內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。分析了攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌器葉片角度、攪拌器數(shù)量以及整流柵孔隙率等結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)恒溫槽性能的影響。整流柵采用多孔介質(zhì)模型處理。分析結(jié)果表明：采用從上到下依次為45。、30。和15。的變角度三層攪拌葉片，轉(zhuǎn)速1500r／min，整流柵孔隙率為0．3071的雙攪拌器結(jié)構(gòu)恒溫槽，有最佳的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)分布。檢驗(yàn)結(jié)果表明：上述恒溫槽工作區(qū)溫度均勻度為4．5mK，與模擬結(jié)果基本吻合。關(guān)鍵詞：恒溫槽；重整化群k-e湍流模型；多孔介

3、質(zhì)；數(shù)值模擬中圖分類(lèi)號(hào)：TQ027．2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A0引言在高精度流體熱物性實(shí)驗(yàn)研究中，恒溫槽提供了穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是必不可少的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。恒溫槽的性能往往成為流體熱物性研究的關(guān)鍵。恒溫槽的溫度波動(dòng)性和均勻性是評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。各種研究表明：恒溫槽的性能直接取決于其各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)。如文獻(xiàn)[4]對(duì)大容量六面板加熱高溫空氣恒溫槽進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：在200～500oC，為了保證槽內(nèi)溫度波動(dòng)度為±25mK每15min，熱板的溫度波動(dòng)必須控制在±0．2K以下。文獻(xiàn)[5]通過(guò)數(shù)值模擬分析了混合區(qū)和

4、工作桶區(qū)分離的恒溫槽性能，研究結(jié)果表明：當(dāng)工作桶內(nèi)流體流速為0．15m／s時(shí)，在桶高20～50cm區(qū)域內(nèi)可滿足恒溫槽溫場(chǎng)計(jì)量特性的要求。文獻(xiàn)[6]對(duì)采用垂直加熱列管的攪拌槽非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)：溫度分布的趨勢(shì)主要取決于所用攪拌槳產(chǎn)生的流型、葉輪雷諾數(shù)、攪拌槳的安裝高度等。目前，恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)來(lái)源于大量試驗(yàn)和測(cè)試，耗費(fèi)很多人力和時(shí)間，采用數(shù)值模擬的方法分析恒溫槽內(nèi)流動(dòng)特性，改進(jìn)恒溫槽流動(dòng)性能研究的文獻(xiàn)較少?；谝陨媳尘?，本文運(yùn)用fluent軟件，利用重整化群(RNG)k-6湍流

5、模型對(duì)大容量液體恒溫槽內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。分析了攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌葉片角度、攪拌器數(shù)量以及整流柵孔隙率對(duì)恒溫槽性能的影響，以期對(duì)恒溫槽性能的優(yōu)化有所指導(dǎo)。1幾何模型及計(jì)算方法1．1幾何模型本文模擬的恒溫槽采用攪拌區(qū)和工作區(qū)分離，中間布置整流柵的結(jié)構(gòu)，如圖l所示。恒溫槽計(jì)算域結(jié)構(gòu)尺寸為550mm×350mm×550mm(長(zhǎng)×寬×高)長(zhǎng)方體，其中，攪拌區(qū)尺寸為200mm×350mm×550mm，工作區(qū)尺寸為350mm×350mm×550mm。攪拌直徑81mm，攪拌器長(zhǎng)410mm，3層葉片分

6、別布置在3等分點(diǎn)和攪拌器底端。本文討論了攪拌器轉(zhuǎn)速、攪拌器葉片角度、攪拌器數(shù)量以及整流柵孔隙率等結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)恒溫槽性能的影響，其中，攪拌器分3種模型，分別是：3層葉片角度均為30。的攪拌器，3層葉片角度均為45。的攪拌器，從上到下3層葉片角度依次為45。、30。和l5。的變角度攪拌器。攪拌器旁是一根長(zhǎng)300mm的加熱器。整流柵是布孔方式為三角形布置的圓孔板。模擬介質(zhì)為201-10基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306127)；山西省科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)基金項(xiàng)目(2013091010)作者簡(jiǎn)介

7、：甄瑞英(1986～)，男，山西太原人，碩士生；尹建國(guó)(1982一)，男，通信作者，山西平遙人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ虩嵛锢恚崭迦掌冢?015—02—03第5期甄瑞英，等：大容量液體恒溫槽溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的數(shù)值模擬·37·甲基硅油。整流柵攪拌軸加熱器1．2計(jì)算方法采用多重參考系法(MRF)解決靜止部分和轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌葉片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，將整個(gè)計(jì)算域一分為二，攪拌葉片及其附近流體區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他流體區(qū)域設(shè)置為靜止坐標(biāo)系。通過(guò)交界面，兩個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)動(dòng)量、能量的交換。整流柵采用多孑

8、L介質(zhì)模型并根據(jù)文獻(xiàn)[7]提供的公式計(jì)算內(nèi)部阻力系數(shù)c，公式中的相關(guān)系數(shù)參考文獻(xiàn)[8—9]。攪拌區(qū)采用適用性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)內(nèi)部動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格加密。整流柵和工作區(qū)網(wǎng)格采用圖1恒溫槽結(jié)構(gòu)圖六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為便于對(duì)恒溫槽內(nèi)的流動(dòng)換熱進(jìn)行數(shù)值模擬分析，作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：(1)流體為不可壓縮常物性；(2)流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；(3)不考慮黏性耗散和體積力；(4)不考慮加熱器、壁面自然對(duì)流和輻射換熱。采用RNGk-6模型計(jì)算湍流流動(dòng)，該模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線