PDF《天然气加热炉结构 及 其传 热特性分析》

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3 控制方程 为求得对流空间的传热特性 , 控制方程中的压 力梯度是不必求知的, 故用 流函数一 涡量法, , [

6 求解 控制方程组 , 引人流函数

5 f 『 和涡量 , 并定义为 : , :一V, : 一(2)―― , ―― =一,=―― 一――Zaaaa在给出偏心圆简体 自然对流的支配方程组之前, 先 要将方程无量纲化 , 定义 以下无量纲参数. 特征长度 L = R.一R (

3 ) e e (

4 ) 式中, R . 、 R 分别为 圆筒 体和加热元件 的半径 ;

￡ 为偏心圆环的偏心度 . : (

5 ) 西=一()Tt―T. 式中, T . 、 T 为简体内壁面和加热元件外壁面的温 度. 准则数为 格拉晓夫数 G

7 '

: (

6 ) 普朗特数 = (

7 ) 瑞利数 Ra=g (

8 ) 第 3期 郭韵,等:天然气加热炉结构及其传热特 性分析 式中, g为重力加速度 ;

为介质的体积膨胀系数 ;

为介质的运动黏度 ;

为介质的热扩散系数. 二维偏心圆筒体 自然对流问题在双极坐标系下 的控制方程[ 为 =一 ∞ (

9 ) ∞ = 击[去(u+)]+R[一(sina+COSCr/)一l、af,e(sina一a)]、o【n||\:-i(u~'

'

+蓦)(11)其中U=,一式中, a为 轴方向与重力加速度方 向的夹角 ;

为 拉梅系数 , 即 边界条件 当:{时,

5 f l =U=V=0 , =1 当=.时,=U=V=0 , =0

2 .

2 计算方法 用上述数学模型研究如 图 3所示 . 天然气加热 炉筒体内加热元件下偏 心布置时介质水的流动与传 热. 当Ra=5 . 6*1

0 时, 小于

1 0 , 介质流动处于层 流状态 , 故选用层流模型. 通用控制方程的离散采用 有限体积法 , 控制区域 内网格的划 分采 用 四边形结 构网格. 控制容积界面的物理量采用二 阶迎风差分 格式求得 , 离散后的控制方程采用耦合式解法, 即同 时求解连续方程 、 动量方程及能量方程 的耦合方程 组, 联立求解 出各个变量 .

0 y 、 J . 一To/f0Rt l 茧/―/ 图3物理模型 图Fi g.

3 Ph y s i c a l m o d e l 由于介质水的温度变化不太大 , 为了得到更好 地收敛速度 , 采用 B o u s s i n e s q近似, 即除了动量方 程 的浮力项之外 , 在动 量方程 和能量方程中将密度 看成常数. 计算温度条件依据加热炉在实际运行时 的某一温度工况 , 筒 体的 T. =3

2 3 K, 加 热元件 的Ti =3

6 8 K. 在温差小 于50K时, 采用 B o u s s i n e s q 近似所带来的相对误差小 于4%. 为了提高计算效 率,可以采用 B o u s s i n e s q近似 .

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3 计算结果与分析 图 4为介质水 的等温线 图和流动矢量 图. 从图

4 ( a ) 中可以看 出, 介质水在 圆筒体 内的温度分布是 不均匀的. 介质水会沿着加热元件外壁面上升 , 附着 在加热元件外壁面的导热层逐渐增厚 ( 在加热元件 顶部导热层最厚) , 在 浮升力作用下 , 热水流在加热 元件顶部分离并继续上升 , 形成热羽毛状温度分布, 当热水流上升碰到筒体 内壁时被冷却, 同时沿着简 体 内壁下行 , 并附着在壁面上形成导热层 , 导热层随 水流下行而增厚 , 在接 近简体底 部时 , 由于空 间变 窄,使简体内壁导热层与加热元件外壁导热层重叠 , 形成纯导热区. 由此可知 , 传热 温差较小时, 在大简 体内尽管会出现微 弱的 自然对 流, 但在局部区域仍 会 出现导热, 有流动死角区域 , 这对简体内的传热效 果将产生较大影 响. 流体介质 温度较高的部分主要 分布在加热元件外壁面附近及加热元件顶部 . 介质水........