【正文】 、 管內(nèi)的流動(dòng)是湍流 （ 20200Re2020 ?? ） 管內(nèi)的流動(dòng)為湍流（ 20200Re2020 ?? ）時(shí)，由（ 321）可知湍流狀態(tài)下相鄰級(jí)別的努塞爾數(shù)值之比： ?? ?iiNuNu? 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 47 代回（ 344）中： （ 1） ?? 時(shí)， 整理可得： 11 ?????? mmPFPP 當(dāng) m=5 時(shí)， ?PFPP ，當(dāng) m=6 時(shí)， ?PFPP 。他研究了在管長相等的情況下的傳熱特性，他認(rèn)為，在微通道總管長相等的條件下，如果 1?? ，平行通道傳熱性能將優(yōu)越于分形樹狀通道；反之，如果 1?? ，則分形樹狀的傳熱性能更好些。對(duì)于微通道中的流動(dòng)換熱，其相似準(zhǔn)則關(guān)系已有大量的研究。因此相鄰 級(jí)數(shù)的流道對(duì)流換熱系數(shù)之比為： 111 ??? ? iiiiii NuNuddhh （ 36） 圖 冷卻流動(dòng)過程 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 36 在光滑管中，努塞爾特?cái)?shù) Nu與表面粗糙度無關(guān)： Pr)(Re,fNu ? 而且大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，相鄰級(jí)別流道的努塞爾特?cái)?shù)之比為一常數(shù)： ???1iiNuNu （ 37） 因而由式 （ 32） 與式 （ 37） 可得： ????1iihh 這樣： ???????? ??? 231201 hhhhhh 因而： ii hh )(0 ??? 對(duì)于 m級(jí)樹狀流道，其總的換熱率為： ?? ?? mi iiiF TAhQ 02 （ 38） Ai 為 i級(jí)數(shù)上流道總換熱面積。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 34 第三章 樹狀 分形 結(jié)構(gòu)水力特性 及熱力特性分析 、 T 型樹狀管的換熱特性分析 本文主要參考了 Escher ]5[ 和 Ghodoossi ]12[ 的論文工作 。 40 2 176。 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 由以上的結(jié)果可以得出： 在管內(nèi)的流動(dòng)為湍流（光滑區(qū)）時(shí)，分岔角 ? 約在 28176。 28?? 176。、 28176。 2 36176。 36?? 176。 （ 2） 當(dāng) mmD ? 時(shí)，分岔角分別為： 35176。 mmD ? 時(shí)， FLUENT 的計(jì)算結(jié)果： 壓力降： PaP 5 0 2 4 5 0 1 ?? 。 一 、層流 假設(shè) mmL ? ， mmL ? ， mmD 20 ? 。 、 尋求最優(yōu)的分叉角 在拉格朗日乘子法中，它進(jìn)行對(duì)管路最佳特征比分析的時(shí)候，采用的是微分的方法，只考慮沿程損失的影響，而沒有考慮到管路內(nèi)的局部損失的影響。出口壓力值可近似的認(rèn)為是： 2 )( 21 PPPo ?? （ 213） 所以各管路的壓力降為： oi PPP?? （ 214） 則各種分叉角下的壓力差為： 35176。 時(shí)，進(jìn)口壓強(qiáng) PaPi ? ， 出口壓強(qiáng) PaPo ?? ， PaPo ?? 。 （ 4） 設(shè)置流體的物理屬性， 取 FLUENT 自帶的流體 —— 水。 （ 5） 將橢圓和圓形等分成 4 份，連接成面，再 由面連接成體。 利用 GAMBIT 建立三維模型： 在建立 Y 型三維模型過程中， 由于對(duì) FLUENT 軟件了解的不夠，曾用 UG建立了 Y 型的幾何模型，導(dǎo)成 .igs 文件，導(dǎo)入 GAMBIT。 、 層流狀態(tài)下的 Y型管內(nèi)流動(dòng) 建立模型： 在總的管腔比和總的占地面積 一定的條件下管徑比假設(shè)為定值： 管腔總體積一定： ?90?V 3mm ，總占地面積一定： ?S 2mm ， 3110 2?DD 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 在 不同的分岔角 下計(jì)算出管長 ； （ 1） 35?? 176。 39。 層流狀態(tài)下 （采用層流模型） ： 導(dǎo)入 FLUENT 軟件，設(shè)置求解器模型，層流。 、 單管 流動(dòng)狀況 的計(jì)算 驗(yàn)證 假設(shè)一根 cmLcmD 100,2 ?? 的圓管，管內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)為水， 20℃的水的運(yùn)動(dòng)粘度為 sm 26100 ???? ，水的密度 3310 mkg?? ，重力加速度 smg ? 。 幾何意 義是：沿同一微元流束或流線，單位重力流體的速度水頭、位置水頭、壓強(qiáng)水頭之和為常數(shù)。有限體積法（ FVM）是建立在流體力學(xué)微分方程在控制體上積分得到的積分方程，關(guān)鍵是采用數(shù)學(xué)方法計(jì)算控制體表面的數(shù)值通量，得到迭代方程組。 （ 3） prePDF用于模擬 PDF 燃燒過程。 FLUENT 軟件是由美國 FLUENT 1983 年推出，是繼 PHOENICS 軟件之后的第二個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限容積法的軟件。并與拉格朗日乘數(shù)法的分析結(jié)果相比較。 、本文的主要工作 本文主要研究了分型樹狀管路中，流動(dòng)換熱特性。 而本文中所研究的將既考慮到管路流動(dòng)中的沿程損失，也考慮到局部損失。 自然界中樹狀 系統(tǒng) 局部和整體 的幾何要素大都 呈統(tǒng)計(jì) 相似 ， 滿足分形特征 。 、 樹狀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 大自然 中， 如樹木、河流、人體的血液循、肺等等都可以看成是物質(zhì)流動(dòng)和能量傳遞的運(yùn)輸系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法可歸為仿生設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 : 樹狀 ； 分形 ；流動(dòng) 換熱； 最優(yōu)參數(shù) ； FLUENT. 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) IV Abstract Fractal treelike structure is a very mon structure in nature,. with many transport properties. This paper discusses the characteristics of flow and transfer in the fractal treelike structure. The second chapter of this paper simulate the fluid flow of Yshaped channels. ,using FLUENT. For the two Yshaped channels, it discusses the geometric optimal parameters of different flows, through Lagranga multiplier method. Then, using FLUENT to establish threedimensional grid of the Yshaped channels. And find out the geometric optimal parameters, under local losing. Finally, we simulate the flow conditions in the four tubes. The third chapter of this paper analysis the flow and heat transfer characteristics of the Nlevel fractal treelike channels. And paring with parallel channels of cooling system, draw the following conclusions:(1) Under the premise of the same heat transfer area, the heat transfer performance of fractal treelike channels is not necessarily the best。 本文主要討論了樹狀分形結(jié)構(gòu)的流動(dòng)換熱特性。 在論文第三章采用經(jīng)驗(yàn)公式方法分析了 N 級(jí)樹狀分形管路的流動(dòng)換熱特性，并與平行通道冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了比較。 在 80年代 ，Tuckerman 和 Pease ]1[ 首次將微通道蝕刻技術(shù)應(yīng)用于電子芯片的冷卻，并對(duì)平行微通道散熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其散熱強(qiáng)度可高達(dá) 750W/cm2。 與大部分觀點(diǎn)不同，Escher ]5[ 等 認(rèn)為在流量恒定的情況下，平行管道的冷卻帶走的能量是分形管路的 4倍 之多 。 一個(gè)樹由小樹苗長成參天大樹，一方面要盡可能的通過自己的根須在土地扎根，吸取土壤中的礦物質(zhì)和水分；另一方面要 不停的伸展自己的枝葉，和太陽光進(jìn)行光合作用獲取能量。 因此 ，樹形結(jié)構(gòu)還被應(yīng)用于肋片的設(shè)計(jì)、燃料電池內(nèi)部流道的布置等問題中。 Y 型管路的優(yōu)化分析，其目的在于尋找出管路的最佳參數(shù)； T 型管和平行管路的比較，其目的在于了解 T 型管路中的流動(dòng)換熱狀況。在不斷的建模分析對(duì)比中， 使 作者對(duì)FLUENT 軟件有了初步的了解 ，也為以后 FLUENT 軟件的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。 數(shù)值模擬由于其優(yōu)越性，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 FLUENT 是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專 用軟件。 FLUENT 軟件可以采用三角形、四邊形、四面體、六面體及混合網(wǎng)格計(jì)算二維和三維流動(dòng)問題，在計(jì)算過程中，網(wǎng)格可以自適應(yīng)調(diào)整。 、 管內(nèi)流動(dòng)的一些基本概念 在重力作用下的不可壓縮理想流體的一維定常流動(dòng)，由于沒有損失，流體的溫度和熱力學(xué)能不變；如果選取微元流管作為控制體，對(duì)微元面積積分便是被積函數(shù)本身，即： ?? 1121222222 pgzvpgzv ????? （ 21） 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 或 ????pgzv22 常數(shù) （ 22） 這就是在不可壓縮理想流體一維定常絕能流動(dòng)的能量方程，是由伯努利 1738 年提出的，稱為伯努利方程。 （ 2）局部能量損失 —— 發(fā)生在流動(dòng)狀態(tài)急劇變化的急變流中的能量損失，主要是由管徑的變化引起的流體速度分布的急劇變化、微團(tuán)的碰撞、漩渦造成的損失。同時(shí)本人在研究 FLUENT 計(jì)算的時(shí)候還發(fā)現(xiàn)，迭代必須得收斂以后才可以得出最后江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 的數(shù)值結(jié)論；如果迭代 中途停止，其結(jié)果也將偏差很大。P? 為理論值。 、 層流流動(dòng)狀況 二級(jí) Y 型樹狀管路的總消耗功率是： )2(1282 4114002110 dldlmWWW s um ???? ? ???? ?? = )2( 411400 dldlc ? （ 212） 式中： 2128 mc ???? 拉格朗日函數(shù)： AVWXddllL sum 101010 ),( ??? ???? ? 分別對(duì) ?, 1010 ddll 分別求導(dǎo)得到以下的方程組： 江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????0000010111011010000111011010000??????????????AVWXdAdVdWdXdAdVdWdXlAlVlWlXlAlVlWlX????? 代入上面的式中可得： ???????????????????????????????02c o sc o s020240)c o ss i n4s i n2(220s i n2410110511000500101210411120040????????????????lllddcllddclllddclddc 可以推出 : 3110 ??dd 61600 28 dcdc ??? ?? 代入上式中可得： ??????????????0)2s i ns i n(220s i n221014141114040?????lldcdcld