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Hi-key Technology 专业工程软件和服务提供商Flowmaster换热仿真北京海基科技发展有限责任公司Flowmaster工程师：黄宏艳© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group内容• 仿真分析概览 • 仿真分析方法 •Steady State Heat Transfer • Component Thermal Models • Steady State Examples •Transient Heat Transfer • Modeling Temperature Variation • Modeling Heat Capacitance • Transient Example • 流体介质物性参数© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group换热模型• 热量在某一离散点输入或者输出• 换热发生在计算网络的流体之间• 管道壁面的换热分析• 同种流体的混合• 温度对流体物性的影响• 瞬态换热以及热量在元件中的蓄存© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group换热分析的应用领域• 热传输的应用•冷却回路•加热系统• 压力损失的应用•预热对粘性的影响•粘性流体的灌装•粘性流体的输运•润滑系统© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group介绍• 考虑了流体物性的变化对于摩擦损失的影响• 模拟了摩擦生热• 浮升力未予考虑© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group换热基本理论热交换的定义• 由于温差引起的能量输运三种换热类型• 传导 --- 发生在固体或静止液体中的热交换• 对流 --- 存在运动时，发生在固体与流体间的热交换• 强制对流• 自然对流• 热辐射 --- 发生在空间上独立（无接触）物体间的热交换© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group一些换热参数 ü 热流q = Q /A, 单位面积上的传热量(W/m2)ü 热导率k= -q/(DT/dx) (W/m/K)ü 对流换热系数h = q/DT (W/m^2/K)ü 热阻R --- 类似电阻的参数, R = DT/Q (K/W)ü 传热系数 --- 热阻的倒数=1/R (W/K)ü 发射率e --- 物体表面的热辐射特性ü Stefan-Boltzmann常数d --- 计算理想黑体最大热辐射量的常数，q=dT4© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group换热公式热传导•傅里叶公式对于一维方法，简化为： 对流换热•牛顿法则 热辐射•一个表面与外界环境间的辐射换热量为：© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group热流回路•类似电路•以复合管道为例•热阻为：•热流© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group稳态换热分析元件• 源项、水箱、蓄能器• 管道• 换热器• 固体元件• 复合元件© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group11源项、水箱与蓄能器• 源项 • Flow Source • Pressure Source • Blank End Source • Pressure - Flow Source • 蓄能器 • Air Vessel • Vented Air Vessel • Bladder Vessel• 水箱 • Reservoir Constant- Head Reservoir • Reservoir Finite Area • Reservoir Variable Head • 2 Armed Tank • Reservoir Infinite Area • Reservoir Storage Vessel© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道与旋转通道• 5种管道可用于换热分析•Cylindrical Pipes •Rectangular Pipes •Hexagonal Pipes •Prismatic Pipes •Rotating Passage • 不同的换热计算模型© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group13换热计算模型• 管道热模型——通过参数来定义 0 绝热流动 1 指定每米的热损失或加热量 2 指定全局换热系数 3 指定全局换热系数，计算内部换热系数 4 指定外部换热系数，计算管壁热阻 5 指定外部换热系数，计算内部换热系数和管壁热阻 6 计算外部换热系数和管壁热阻 7 计算外部换热系数，内部换热系数和管壁热阻• 旋转管道热模型 1 绝热流动 2 严格换热 3 定义热损失 4 指定换热系数© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道- 热传导 (1)管道热传导热传导© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道- 热传导(2)-带保温层管道中的热传导热传导© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道- 对流换热管道对对流换热换热© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道- 热辐射, 总换热系数• 热辐射与温差直接相关• 热传导与对流换热常一起考虑，给定一个总的换热系数© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道 –换热参数© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group旋转通道- 换热参数© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group管道换热计算练习• 建立并计算以下模型，计算得到管壁温度© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group换热器• 等温压降模型•Heat Exchanger• 换热计算模型•Heat Exchanger (Heater - Cooler)•Heat Exchanger (Thermal)•Heat Exchanger (Radiator)© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group22• 热效率曲面图 •热效率作为两个流道流量 的函数换热器© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group23换热器练习1• 建立并计算以下模型，分析不同流量下的计算结果© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group24Heat Exchanger Exercise 2•建立并计算以下模型，分析冷却器在多回路系统中的计 算结果© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group固体元件• 温度源 • 热流源 • 固体块 • 热桥 • 质点© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group固体元件练习• 建立并计算以下模型，分析其温度变化© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group27瞬态换热计算- 换热元件• Pipes • Sources • Heat Exchangers • Solids • Bends • Valves • Junctions• Transitions • Orifices • Pumps • Discrete Loss • Miscellaneous • Solids© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group分析 –能量守恒• 在一个控制体中，能量是守恒的de1de2dWdqDE© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group分析 – 节点• 换热分析网格节点Thermal Nodes‘Pressure’ Nodes© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group30热容• 对于“体积类元件”，可设置热容参数，从而考查热量的蓄 积 • Mass of Solid • Material Type • Fluid Volume • 管道元件的热容特性可在“Pipe Thermal Properties”数据 子菜单中设置 • Pipe Wall and optionally Insulation Thickness • Pipe / Insulation Material Types© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group时间步长的选择• 在管道的每一段，假定流体充分混合•精确的结果依赖于: • 内部节点的数目(³ 20) • 时间步长(£ L / 2V(n+1))• 其它元件同样假定充分混合© Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group © Flowmaster Group32瞬态算例1-冷却• 在计算网络中使用换热器，减少其流量，分。