司小雨+骆清国+桂勇+周亮+刘红彬+孙志新

摘 要：为计算沙尘对圆管散热性能的影响规律，根据其几何参数建立了计算域物理模型，然后基于Fluent数值仿真软件，采用离散相模型（discrete phase model，DPM）和相间耦合的SIMPLE算法，对圆管气侧和水侧流场进行三维数值仿真计算，研究结果表明：沙尘颗粒的加入有利于提高散热效果，同时气侧换热系数随沙尘体积分数的增大而增大，随粒径的增大而减小。

关键词：圆管；气固两相流；离散相模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.236

装甲车辆在行驶过程中极易诱发沙尘环境，将会对散热器性能发挥产生重要影响[1]，因此研究沙尘对散热器散热性能的影响规律具有重要意义。

由于沙尘在散热器内流动形式主要是冲刷管束，因此本文以圆管为研究对象，采用欧拉-拉格朗日法[2]，利用离散相模型（discrete phase model，DPM）和相间耦合的SIMPLE算法，对圆管气侧和水侧流场进行三维数值仿真计算，研究了沙尘对散热器散热性能影响规律，为散热器优化设计提供理论依据。

1 物理模型及网格划分

根据圆管几何参数，利用Pro/E软件建立三维实体模型和气、水两侧计算域，然后利用Mesh网格划分工具对计算域进行网格划分，得到网格总数323266个，节点数189684个，三维实体模型及网格划分如图1所示。

2 边界条件和初始条件

数值模拟中，边界条件的准确性对计算结果产生重要影响，本研究主要包括以下四类边界条件：

（1）入口边界条件：入口均采取速度边界条件，速度方向与入口平面垂直，速度和温度根据实际工况设定。

（2）出口边界条件：出口边界均采用压力出口边界条件，相对大气压力的值为0Pa。

（3）固体壁面边界条件：除了入口、出口和内部边界条件以外，其他的都默认为壁面边界，热辐射较小，忽略不计。

（4）离散相边界条件：采用随机轨道模型，入口和出口设置为逃逸条件，壁面处设置为反射条件。

邓鹤鸣[3]等人在研究沙尘天气中沙粒对放点的影响时，测得沙尘颗粒的物理性质如表1所示：

根据Geldart[4]颗粒分类法的适用条件，本文在模拟时选取0.12mm、0.42mm、0.78mm三种颗粒进行研究。

3 结果分析

将划好的网格导入Fluent软件，对求解器和边界条件进行设置，对整个区域进行初始化，采用稳态方式进行模拟。

3.1 沙尘颗粒粒径对散热的影响

通过图2可以看出，气侧换热系数随着颗粒粒径的增大而减小。这是由于随着颗粒粒径的增大，单位时间内与换热面碰撞的颗粒数量减少，对换热面边界层的破坏效果减弱，降低了散热效果。

3.2 沙尘颗粒体积分数对散热的影响

通过图3可以看出，气侧换热系数随着沙尘颗粒体积分数的增大而增大。这是由于随着沙尘颗粒体积分数的增大，增加了颗粒与换热面碰撞的概率，增强了对换热面边界层的破坏效果，提高了散热效果。

4 结论

本文考虑了气固两相及风侧和水侧间的耦合作用，采用Fluent软件对沙尘掠过圆管气固两相流进行仿真计算，较好地模拟了沙尘的运动轨迹及对散热的影响，通过研究得出如下结论：

（1）颗粒粒径增大，降低了颗粒与壁面的碰撞频率，减弱了对换热面边界层的破坏效果，降低了散热效果。

（2）沙尘颗粒体积分数增大提高，增加了颗粒与换热面接触与碰撞的概率，增强了对换热面边界层的破坏效果，提高了散热效果。

参考文献：

[1]张钧享.高机动性运载车辆动力系统[M].北京：中国科学技术出版社，2000.

[2]Gidaspow D. Multiphase Flows and Fluidization[J].San Diego：Academic Press Inc，1994：86-119.

[3]邓鹤鸣，何正浩，马军，许宇航，朱路，郭润凯.沙尘天气下大沙粒对放点发展的影响[J].高电压技术，2010，36（05）：1246-1252.

[4]漆海峰.煤粉的流动性对比研究及其影响因素分析[D].广东： 华南理工大学，2012.

作者簡介：司小雨（1986-），男，硕士研究生，研究方向：装甲车辆动力系统总体技术。