非牛頓流體繞鈍體傳熱的數(shù)值模擬

牛星杰

摘 要：利用fluent軟件建立研究非牛頓流體在管內(nèi)繞鈍體傳熱的數(shù)值模擬模型，選用水泥漿作為研究的非牛頓流體，分析非牛頓流體繞鈍體繞流傳熱的規(guī)律，為其它該研究課題的學(xué)者提供方法借鑒。

關(guān)鍵詞：非牛頓流體；鈍體繞流；fluent；傳熱；數(shù)值模擬

非牛頓流體在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用前景，特別是石油、化工行業(yè)，而前人雖然對于牛頓流體的流動(dòng)與傳熱做了大量研究，但對于非牛頓流體的研究還尚有欠缺。冪律流體作為非牛頓流體中的一種，對其進(jìn)行的研究具有很大的商業(yè)價(jià)值，有大量學(xué)者對其流變性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，如黃善波等進(jìn)行了冪律流體管內(nèi)充分發(fā)展的對流換熱分析的研究1。Fluent軟件作為當(dāng)前世界最流行的CFD軟件之一，可以為該課題的研究提供很大便利。

1. 冪律流體

冪律流體是指符合？子=？資·γn 流變規(guī)律的流體2，？子、？資、n表示剪切應(yīng)力、稠度系數(shù)、流變指數(shù)。

n<1時(shí)，為假塑流體，最為常見

n=1時(shí)，為牛頓流體

n>1時(shí)，為膨脹流體

本文選用冪律流體中的水泥漿作為研究對象，因?yàn)樗酀{作為石油工業(yè)的重要材料，有大量學(xué)者對其流變性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，故在選取水泥漿相關(guān)流變參數(shù)時(shí)，可參考前人研究得出的數(shù)據(jù)，為本課題進(jìn)行的后續(xù)研究提供很大便利。

2. 利用fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬

2.1使用gambit建模

本課題的研究可以將三維問題簡化成二維，在gambit軟件笛卡爾坐標(biāo)系中建立一個(gè)二維模型：

流體流動(dòng)范圍外壁面（上下邊界）及鈍體（白色圓）壁面采用壁面函數(shù)wall（考慮對流傳熱）處理。流體進(jìn)口邊界條件設(shè)為速度進(jìn)口VELOCITY_INLETH，該邊界條件用于定義在流動(dòng)進(jìn)口處的流動(dòng)速度及其它相關(guān)標(biāo)量值，這一邊界條件適用于不可壓縮流動(dòng)3，為研究方便，我們已假設(shè)該流動(dòng)為不可壓流動(dòng)且不考慮重力影響。對于出口，由于本課題需要模擬的是求解前壓力及流速都未知的出口邊界，故選用出流OUTFLOW作為邊界條件。

2.2利用fluent進(jìn)行求解

在fluent軟件中導(dǎo)入在gambit中建立的模型mesh文件，檢查無誤后，分別進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。需特別注意的是研究非牛頓流體時(shí)要新建一種流體材料，其粘度值的設(shè)置，本課題研究非流動(dòng)流體時(shí)選用的是冪律模型Non-Newtonian Power law。對于冪律指數(shù)、稠度系數(shù)以及粘度范圍的設(shè)置可以通過水泥漿性能試驗(yàn)確定4，熱導(dǎo)率5、比熱容6參考相關(guān)文獻(xiàn)。改變初始速度入口速度條件，進(jìn)行迭代計(jì)算，可得多組數(shù)據(jù)。

2.3數(shù)值模擬結(jié)果

在雷諾數(shù)21.3的情況下得到的水泥漿繞鈍體繞流傳熱的溫度分布如下圖

在雷諾數(shù)106.5的情況下得到的水泥漿繞鈍體繞流傳熱的溫度分布如下圖

在雷諾數(shù)213的情況下得到的水泥漿繞鈍體繞流傳熱的溫度分布如下圖

在雷諾數(shù)2130的情況下得到的水泥漿繞鈍體繞流傳熱的溫度分布如下圖

通過對上文四幅圖的分析，不難發(fā)現(xiàn)，對于定常層流管內(nèi)非牛頓流體繞圓柱體繞流的溫度分布，雷諾數(shù)越大，非牛頓流體繞圓柱體繞流后形成的低溫區(qū)域面積越小，低溫鈍體與非牛頓流體對流換熱后對非牛頓流體溫度分布影響越小。即高溫非牛頓流體繞低溫圓柱體繞流后，雷諾數(shù)越大，其恢復(fù)至原溫度所需時(shí)間越短，與圓柱體最近點(diǎn)的距離也越短，其恢復(fù)至擾動(dòng)之前的狀態(tài)更加迅速。

3. 總結(jié)

通過fluent所做的流體進(jìn)入管內(nèi)繞圓柱繞流后溫度分布的數(shù)值模擬后，筆者總結(jié)出以下猜想：

在管內(nèi)定常層流不考濾重力的情況下，高溫非牛頓流體繞低溫圓柱體繞流，其雷諾數(shù)越大，繞流后恢復(fù)至原狀態(tài)所需時(shí)間及距離越短，在雷諾數(shù)增大到某一臨界值后，其繞流經(jīng)過圓柱體時(shí)只有在圓柱體表面的一層非牛頓流體溫度會有顯著變化，其它區(qū)域非牛頓流體的溫度分布已不受圓柱體的影響。

以上猜想為筆者根據(jù)數(shù)值模擬所得，有興趣的讀者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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