混凝土内部T型弯管流动换热数值模拟.pdf
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1、2 0 1 1年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) N u mb e r 6i n 2 O l 1 ( T o t a l N o 2 6 0 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RE SE ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 1 8 混凝土内部 T型弯管流动换热数值模拟 卢玉林 ,李文倩 ,梁永朵 ,卢滔 ,刘小阳 ,王丽 ,魏佳 ( 1 防灾科技学院,北京 1 0 1 6 0 1 ;2 中国地震局工程力学研究所 ,黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 0 1
2、 ) 摘要: 采用有限元方法计算了三通弯管的流场分布和换热效率。获得了T型弯管横截面的平均速度和 换热系数沿管程的分布曲 线 。数值结果表明, 弯曲位置附近流场分布复杂 , 弯 曲位置后水流量得到二次分配; 分支管壁出现分离 区和回流区, 横截面出现二次流。 u 数在主管和分支管沿管长方向均出现衰减, 且分支管衰减比率大于横向管。 在数值分析混凝土结构温度场中, 应注意弯管节点附近施加不 同的换热系数 。 关键词 : 混凝土 ;有限元 ;T型弯管 ;换热系数 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 l 1 ) 0 6
3、 0 0 5 7 0 3 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f f l o w h e a t t r a n s f e r o n T - j u n c t i o n e mb e d d e d i n c o n c r e t e LU Yu l i n , LI W e n- q i a n , LIA NG Yo n g - d u o , LU T a o , LI U Xi a o - y a n g , WANG Li , WEI 胁 ( 1 I n s t i t u t e o f Di s a s t e r P r e v
4、 e n t i o n , Be i j i n g 1 0 1 6 0 1 , C h i n a : 2 I n s t it u t e o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s , C h i n a E a r t h q u a k e Ad mi n i s tr a t i o n , Ha e r b i n 1 5 0 0 0 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : A fi n i t e e le me n t me t h o d w a s d e v e l o p e d t o s i m
5、u l a t e t h e f l o w fi e l d d i s t r i b u t i o n a n d t h e h e a t t r a n s f e r e ffic i e n c y o f r - j u n c t i o n i n c o n c Th e me a n wa t e r v e loc i t y a n d Nus s e l t n u mb e r s o n e a c h s e c t i o n we r e o b t a ine d i n t h i s m a n u s c r i p t Nu me r i
6、 c a l r e s ul t s s h o w t h a t t h e f l o w fi e l d d i s t r i b u t i o n w a s v e r y c o mp l e x a n d a n e w fl o w v e l o c i t y w a s d i s t ri b u t e d i n t h e j u n c t i o n p o s i t i o n A s e p a r a t i o n z o n e a n d r e c i r c u l a t i o n z o n e a p p e a r e
7、d i n t h e v i c i n i t y o f b i f u r c a t i o n p i p e wa l l , a n d a s e c o n d a r y flo w a p pe a r e d i n t h e c r o s s s e c t i o n Nus s e l t n u mb e r d e c r e a s e d g r a d u a l l y a l o n g t h e p i p e l i n e o f t h e ma i n p i p e a n d t h e b r a n c h p i p e,
8、 a n d the h e a t l o s s r a t i o i n b r a n c h p i p e i s g r e a t e r than m a i n p i p e I t s u g g e s t e d t h a t t h e Nu s s e l t he a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t s h o u l d b e p i e c e wi s e l o a d e d the b o u n d a ry c o n d i t i o n s , wh e n e mp l o y a n u
9、 me ric a l s i mu l a t i o n me t h o d t O an a l y z e the c o n c r e t e t e mp e r a tur e fie l d K e y wo r d s : c o n c r e t e ; fi n i t e e l e me n t ; T-j u n c t i o n ; h e a t t r a n s f e r c o e ffic i e n t 0 引言 在建筑工程、 水利工程及给水排水工程中, 通常存在冷却 循环管路, 利用三通接头连接主管与冷却管。 因此, 三通管( T 型 管)
10、 作为一种常见的弯管形式存在于整个系统中。 在结构工程中, 水作为冷却介质常常被用于降低混凝土在固化期的水化热量 , 从而避免温度裂缝的产生 , 这一方法已成 为大体积混凝土施工 技术中的主要措施之一 。 T型弯管主要由主管和分支冷却管 组成 , 研究 T型管 内部流动产生的换热 系数对于准确预测结构 内部温度场是非常必要的。 国内外许多学者对于弯管内部的流动做过大量的试验和 理论研究 】 。 特别是在 弯管 内当流体状 态为紊流时 , 往往伴随 流动损失及流阻的出现, 这种现象会影响流体流动与周围介质 的换热效果 。 同时 , 在管壁附近往往 出现流体分离区 , 横截面 出 现二次流等, 这
11、些现象都会造成流体的能量损失, 形成局部障 碍区, 降低流体的热量传递7 _ 9 。 对于 T型弯管几何结构, 主管和 分支冷却管直径往往不同, 流体在经过弯曲部分后各管内部流 场分布十分复杂, 而流速大小直接影响流体传热系数的分布。 工程上采用数值方法可 以快速 的获取混凝土结构 中的温 度分布状态, 计算方法主要包括耦合法和近似法 1 0 - 1 2 1 。 耦合法主 要考虑冷却水与混凝土共同作用, 通过求解流热耦合方程确定 相应的温度场。 然而, 由于流体网格划分精细导致计算工作量大, 耗费时间长等 , 在工程上并不常用。 而近似法将冷却水考虑为第 三类边界条件进行设定, 计算量相对适宜
12、, 计算结果可以满足 工程需要 , 比较普遍应用在工程计算中。 近似法计算中解决 的核 心问题之一便是确定冷却水管与周围环境的热交换系数 。 要准 确的计算温度场必然要分析换热系数沿冷却管路径的分布情 况, 特别是在弯管位嚣因二次流出现而改变的热量损失程度。 努 赛尔数( Nu s s e l t c o e ffic i e n t ) 是表征对流换热强弱的参数 , 能够 反映冷却介质与周围环境之间的热交换能力。 为此, 本研究采用 数值模拟的方法计算了T型弯管中冷却水的流场分布及 , v u 数 沿管长方向的变化曲线 , 分析了不同位置 数的分布规律。 同 时分析了横截面二次流对 u 换热
13、系数的影响, 计算结果对采用 近似方法求解混凝土结构内部温度场具有一定的参考意义。 1 数值计算 1 1 N 数计算 三通管内部 , v u 数计算可通过流体的流动状态获得, 确定 u 系数大小的关键在于冷却水沿管路的流动分析 , 特别是获取弯 曲位置流体速度的变化特征。 工程试验结果表明紊流状态可有 收稿 日期:2 0 1 O l 2 _ 0 1 基金项目:中国地震局教师科研 基金( 2 0 1 0 0 1 0 6 ) ; 防灾科技学院防灾减灾青年科技摹金( 2 0 1 0 0 2) 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 效带走水化热量 , 且雷诺数应保持在
14、1 0 4 1 0 5 , 为此水流速度应 大于其临界速度 。 根据计算式( 1 ) , 水流入口速度取 4 0 c m s , 保证水流成紊流状态。 Re - d v ( 1 ) 式中: R 雷诺数; 水流速度 ; d 管径 ; 水的动力黏度。 1 2物理模 型 考虑水管与混凝土间的位置关系, 实际工程中三通管节点 部位几何结构如图 1 所示。 弯管材料为钢材, 9 O 。 转角连接, 相关 参数为 : 主管直径 + 3 2 i i ff n , 壁厚 4 0 H l l 1 1 , 冷却管直径 2 8 r n l n , 壁厚 2 0 r f l n l 。 考虑管长对流动形态的影响, 入
15、口及出口管长取值 均大于 1 0倍直径 , 分别为 : 3 5 0 、 3 0 0 ml n 。 图 1 三通管几何 结构 1 3控制 方程 计算中作如下假设 : 考虑冷却水为各向同性 、 不可压缩且 具有恒定密度和黏度的牛顿流体。 管为刚性管, 铺设布置完毕 后不可渗透和变形。 计算流体范围为管材内径空间下的流体 , 水的流动控制方程为 : 连续方程 : d i v ( ) = 0 ( 2 ) 动量方程 : d i v ( U) = 一 V P + d ( x e r a d u ) + S ( 3 ) 式中: f 水流速度; p 水的密度黏度; r水的动力黏度 ; M 速度分量; P 压力
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