基于ANSYS的管道外自然對流換熱系數的確定

程 宇，張巨偉

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

基于ANSYS的管道外自然對流換熱系數的確定

程 宇，張巨偉

（遼寧石油化工大學 機械工程學院， 遼寧 撫順 113001）

管道在進行傳質的過程中，需要計算溫度梯度引起的熱應力，以及管道溫度場分布情況，但在管道外壁溫度未知的情況下，僅通過自然對流換熱經驗關聯式無法確定空氣對流換熱系數。基于傳熱學的理論，采用ANSYS軟件進行結構熱分析，提出一種精確確定管道外自然對流換熱系數的方法。通過案例分析，把計算結果與實驗結果相比較，確定了該方法的可行性。

自然對流換熱系數；ANSYS；結構熱分析

管道在傳質的過程中，在熱負荷的作用下管道可能需要承受一定的熱應力和發生一定的熱變形[1,2]，所以非常有必要對管道進行結構熱分析，采用ANSYS模擬管道所受熱應力以及溫度場分布時，需要輸入流體溫度和空氣的對流換熱系數作為邊界條件，然而不知道管道溫度場分布情況，無法確定流體溫度與管道壁面的溫差值，僅通過自然對流換熱經驗關聯式就無法確定空氣的對流換熱系數，所以，文章提出一種基于ANSYS模擬確定空氣的對流換熱系數的方法。

1 自然對流理論簡介

1.1 自然對流的概念

由于流體內部存在著溫度差，使得各部分流體的密度不同，溫度高的流體密度小，必然上升；溫度低的流體密度大，必然下降，從而引起流體內部的流動為自然對流。這種沒有外部機械力的作用，僅僅靠流體內部溫度差，而使流體流動從而產生的傳熱現象，稱為自然對流傳熱[3-7]。

1.2 自然對流的計算公式

管道外空氣自然對流計算公式為[8]：

式中：hn—對流換熱系數，W/(m2·℃)；

Gr—格拉曉夫數，表示自然對流中的驅動力，浮升力與粘性力之比；

Pr —普朗特數，表示流體傳遞動量與傳遞熱量的能力之比；

λ —流體的熱導率，W/(m·K)；

d0—特征長度，水平管特征尺寸為管直徑，m；

g —重力加速度，m/s2；

α —流體的力膨脹系數；

v —運動粘度，m2/s；

ΔT —流體與壁面的溫差值，K；

C，n —常數，依據Gr·Pr進行取值。

2 管道外空氣對流換熱系數精度確定

第一步：假設空氣對流換熱系數值，進行ANSYS模擬，得到管道溫度場分布圖；第二步：把外壁溫度值代入公式（1），計算空氣對流換熱系數；第三步：把計算得到的空氣對流換熱系數與假設的對流換熱系數進行對比，確定誤差是否在允許的范圍之內，如果誤差在允許的范圍內，則模擬、分析結束，否則不斷的迭代，直到誤差小于1%，認為迭代收斂。第四步：把分析結果與試驗結果相對比，驗證方法的可行性與準確性。

3 案例分析

3.1 管外壁環境溫度

第一次模擬是取環境的最低溫度，空氣的溫度-27 ℃，管內介質為天然氣，天然氣溫度27 ℃，天然氣被冷卻，天然氣對流換熱系數98.41 W/(m2·℃)，管道材料為鋼材，保溫層材料為聚氨酯，鋼的熱傳導率60，聚氨酯的傳導率0.022，管內徑為100 mm，壁厚為2.5 mm，保溫層厚度為3.7 mm。建模時所取的單元類型為4節點二維平面單元，傳熱的類型為穩態傳熱。

第1次迭代，假設空氣的對流換熱系數是4.3 W/(m2·℃)，進行ANSYS模擬，模擬結果見圖1。

圖1 模擬結果1Fig.1 The simulation results 1

如圖1所示，外壁的溫度是3.291 69 ℃，代入公式（1）得到空氣的對流換熱系數為4.7 W/(m2·℃)，誤差為8.5%。

（2）第2次迭代，假設空氣的對流換熱系數是4.6 W/(m2·℃)，進行ANSYS模擬，模擬結果見圖2。

圖2 模擬結果2Fig.2 The simulation results 2

如圖2所示，外壁的溫度是2.391 41 ℃，代入公式（1）得到空氣的對流換熱系數為4.677 W/(m2·℃)，誤差為1.6%。

（3）第3次迭代，假設空氣的對流換熱系數是4.64 W/(m2·℃)，進行ANSYS模擬，模擬結果見圖3。

圖3 模擬結果3Fig.3 The simulation results 3

如圖3所示，外壁的溫度是2.275 4 ℃，代入公式（1）得到空氣的對流換熱系數為4.672 92 W/(m2·℃)，誤差為0.7%。

（4）第4次迭代，假設空氣的對流換熱系數是4.66 W/(m2·℃)，進行ANSYS模擬，模擬結果見圖4。

圖4 模擬結果4Fig.4 The simulation results 4

如圖4所示，外壁的溫度是2.217 73 ℃，代入公式（1）得到空氣的對流換熱系數為4.670 6 W/(m2·℃)，誤差為0.2%。

（5）第5次迭代，假設空氣的對流換熱系數是4.668 W/(m2·℃)，進行ANSYS模擬，模擬結果見圖5。

圖5 模擬結果5Fig.5 The simulation results 5

如圖5所示，外壁的溫度是2.194 73 ℃，代入公式（1）得到空氣的對流換熱系數為4.669 69 W/(m2·℃)，誤差為0.03%。迭代結果統計見表1。

表1 迭代結果統計（一）Table 1 Iteration Results Statistics（1）

如表1所示，最后一次迭代，誤差已經足夠小，所以空氣的對流系數取最后一次計算結果值4.669 69 W/(m2·℃)。

3.2 管外壁所處環境溫度為最高溫模擬

第二次模擬是取環境的極高溫度，空氣的溫度39.5 ℃，天然氣溫度27 ℃，天然氣被加熱，天然氣對流換熱系數50.8 W/(m2·℃)，管道材料為鋼材，保溫層材料為聚氨酯，鋼的熱傳導率60，聚氨酯的傳導率0.022，管內徑為100 mm，壁厚為2.5 mm，保溫層厚度為3.7 mm。建模時所取的單元類型為4節點二維平面單元。

模擬過程省略，模擬結果見表2。

表2 迭代結果統計（二）Table 2 Iteration Results Statistics（2）

如表2所示，最后一次迭代，誤差已經足夠小，所以空氣的對流系數取最后一次計算結果值3.675 9 W/(m2·℃)。

3.3 模擬結果與試驗結果對比

通過大量實驗，對于自然對流來說，空氣的換熱系數一般在1～10 W/(m2·℃)之間，當取環境溫度為-27 ℃，空氣對流換熱系數為4.669 69 W/(m2·℃)，取環境溫度為39.5 ℃，空氣對流換熱系數為3.675 9 W/(m2·℃)，模擬結果與試驗結果吻合較好。

4 結 論

（1）文章提出了一種數值模擬結合自然對流計算公式精確確定空氣對流換熱系數的方法。

（2）通過兩個案例分析，具體展示了該方法的應用過程，案例分析得到的空氣對流換熱系數與試驗結果吻合較好，證明了該方法的可行性和可靠性。

［1］楊世銘，陶文栓. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006．

［2］錢濱江，伍貽文，常家芳，丁一鳴. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 1983．

［3］王寶國，劉淑艷，王新泉，朱俊強. 傳熱學[M]. 北京: 機械工業出版社, 2013．

［4］Garslaw H S,Jaeger J C.Conduction of Heat in Solids[M]. New York: Oxford University Press,1959．

［5］ Arpaci V S. Conduction Heat Transfer[M]. Mass: Addison Wesley, 1966．

［6］Bird R B, Stewart W E,Lightfood E N. Tansport Phenomena[M]. New York: Wiley, 1960．

［7］ Patankar S V．Numerical Heat Transfer and Fluid Flow[M]. New York: Hemisphere/McGraw-Hill,1980．

［8］趙震楠. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社，2002.

Determination of Natural Convection Heat Transfer Coefficient Outside Pipe Based on ANSYS

CHENG Yu，ZHANG Ju-wei
（School of Mechanical Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

During mass transfer in pipeline，it is needed to analyze the thermal stress caused by temperature gradient and the temperature field distribution of pipelines. However, if the pipe outer wall temperature is unknown, air convection heat transfer coefficient can not be determined only by natural convection heat transfer empirical correlations. So based on the theory of heat transfer，through ANSYS structural thermal analysis, a method to determine the natural convection heat transfer coefficient was put forward. Through the case analysis, the calculation results were compared with the experimental results to determine the feasibility of the method.

Natural convection heat transfer coefficient；ANSYS；Structure thermal analysis

TQ 018

： A

： 1671-0460（2015）11-2720-03

2015-07-01

程宇（1992-），女，陜西大荔縣人，碩士研究生，研究方向：石化設備結構安全性評價，結構完整性及災害預防。E-mail：776222383@qq.com。