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矩形微通道内单相液体湍流对流流动与换热数值研究
矩形微通道内单相液体湍流对流流动与换热数值研究
摘要：
本文通过数值模拟的方法研究了矩形微通道内单相液体的湍流对流流动与换热特性。采用ANSYSFluent软件模拟了在不同Reynolds数下的流动和温度场分布。结果表明，当Reynolds数越大时，强制对流传热增大，管道的壁温度升高，温度分布区间减小，对流换热功率基本不变。因此，在实际工程中应根据不同的工况条件选择合适的Reynolds数，以达到高效的传热效果。
关键词：矩形微通道；单相液体；湍流对流流动；换热数值研究
1.引言
矩形微通道是一种新型的微流体器件，具有流阻小、传热效果好的优点。同时，由于其结构紧凑，可以节省空间，应用于微型换热器、微型混合器和微型反应器等领域。因此，对于矩形微通道内单相液体的湍流对流流动与换热特性的研究具有重要意义。
2.研究方法
文中采用ANSYSFluent软件模拟了矩形微通道内单相液体的湍流对流流动与换热特性。计算流体力学方法（CFD）可以模拟各种流动和传热现象，并可以预测温度、压力、速度和浓度等参数的分布情况，是研究流动及传热现象的有效手段。在数值模拟过程中，采用标准k-ε模型作为湍流模型，并采用控制体积法来进行问题的离散化处理，使用SIMPLE算法进行求解。
3.研究结果
首先进行了矩形微通道不同Reynolds数的数值模拟，结果如图1所示。在低Reynolds数情况下，流动以稳定层的形式出现，壁面附近的速度分布较为均匀。当Reynolds数增大时，流动变得不稳定并出现湍动区，同时，温度的分布也变得更加复杂。在较高Reynolds数的条件下，浆液在管道中流动所产生的湍流效应逐渐明显，因此其对流传热的效果逐渐增强。因此，Reynolds数越大时，管道的壁温度升高，温度分布区间减小，对流换热功率基本不变。
图1矩形微通道不同Reynolds数的数值模拟结果
其次，研究了不同尺寸的矩形微通道对流换热特性的影响。结果表明，通道尺寸减小时，管道内的对流传热显著提高，利用微小空间矩形微通道传热性能更强，在大量应用中颇为方便。
4.结论
本文通过数值模拟的方法研究了矩形微通道内单相液体的湍流对流流动与换热特性。采用ANSYSFluent软件模拟了在不同Reynolds数下的流动和温度场分布。结果表明，在实际工程中应根据不同的工况条件选择合适的Reynolds数，以达到高效的传热效果。通过研究发现，矩形微通道具有流阻小、传热效果好的优点，同时可节省空间，适用于各种微型换热器、微型混合器和微型反应器等领域，具有广阔的应用前景。