基于ANSYS的管道外自然对流换热系数的确定

程 宇，张巨伟

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

基于ANSYS的管道外自然对流换热系数的确定

程 宇，张巨伟

（辽宁石油化工大学 机械工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

管道在进行传质的过程中，需要计算温度梯度引起的热应力，以及管道温度场分布情况，但在管道外壁温度未知的情况下，仅通过自然对流换热经验关联式无法确定空气对流换热系数。基于传热学的理论，采用ANSYS软件进行结构热分析，提出一种精确确定管道外自然对流换热系数的方法。通过案例分析，把计算结果与实验结果相比较，确定了该方法的可行性。

自然对流换热系数；ANSYS；结构热分析

管道在传质的过程中，在热负荷的作用下管道可能需要承受一定的热应力和发生一定的热变形[1,2]，所以非常有必要对管道进行结构热分析，采用ANSYS模拟管道所受热应力以及温度场分布时，需要输入流体温度和空气的对流换热系数作为边界条件，然而不知道管道温度场分布情况，无法确定流体温度与管道壁面的温差值，仅通过自然对流换热经验关联式就无法确定空气的对流换热系数，所以，文章提出一种基于ANSYS模拟确定空气的对流换热系数的方法。

1 自然对流理论简介

1.1 自然对流的概念

由于流体内部存在着温度差，使得各部分流体的密度不同，温度高的流体密度小，必然上升；温度低的流体密度大，必然下降，从而引起流体内部的流动为自然对流。这种没有外部机械力的作用，仅仅靠流体内部温度差，而使流体流动从而产生的传热现象，称为自然对流传热[3-7]。

1.2 自然对流的计算公式

管道外空气自然对流计算公式为[8]：

式中：hn—对流换热系数，W/(m2·℃)；

Gr—格拉晓夫数，表示自然对流中的驱动力，浮升力与粘性力之比；

Pr —普朗特数，表示流体传递动量与传递热量的能力之比；

λ —流体的热导率，W/(m·K)；

d0—特征长度，水平管特征尺寸为管直径，m；

g —重力加速度，m/s2；

α —流体的力膨胀系数；

v —运动粘度，m2/s；

ΔT —流体与壁面的温差值，K；

C，n —常数，依据Gr·Pr进行取值。

2 管道外空气对流换热系数精度确定

第一步：假设空气对流换热系数值，进行ANSYS模拟，得到管道温度场分布图；第二步：把外壁温度值代入公式（1），计算空气对流换热系数；第三步：把计算得到的空气对流换热系数与假设的对流换热系数进行对比，确定误差是否在允许的范围之内，如果误差在允许的范围内，则模拟、分析结束，否则不断的迭代，直到误差小于1%，认为迭代收敛。第四步：把分析结果与试验结果相对比，验证方法的可行性与准确性。

3 案例分析

3.1 管外壁环境温度

第一次模拟是取环境的最低温度，空气的温度-27 ℃，管内介质为天然气，天然气温度27 ℃，天然气被冷却，天然气对流换热系数98.41 W/(m2·℃)，管道材料为钢材，保温层材料为聚氨酯，钢的热传导率60，聚氨酯的传导率0.022，管内径为100 mm，壁厚为2.5 mm，保温层厚度为3.7 mm。建模时所取的单元类型为4节点二维平面单元，传热的类型为稳态传热。

第1次迭代，假设空气的对流换热系数是4.3 W/(m2·℃)，进行ANSYS模拟，模拟结果见图1。

图1 模拟结果1Fig.1 The simulation results 1

如图1所示，外壁的温度是3.291 69 ℃，代入公式（1）得到空气的对流换热系数为4.7 W/(m2·℃)，误差为8.5%。

（2）第2次迭代，假设空气的对流换热系数是4.6 W/(m2·℃)，进行ANSYS模拟，模拟结果见图2。

图2 模拟结果2Fig.2 The simulation results 2

如图2所示，外壁的温度是2.391 41 ℃，代入公式（1）得到空气的对流换热系数为4.677 W/(m2·℃)，误差为1.6%。

（3）第3次迭代，假设空气的对流换热系数是4.64 W/(m2·℃)，进行ANSYS模拟，模拟结果见图3。

图3 模拟结果3Fig.3 The simulation results 3

如图3所示，外壁的温度是2.275 4 ℃，代入公式（1）得到空气的对流换热系数为4.672 92 W/(m2·℃)，误差为0.7%。

（4）第4次迭代，假设空气的对流换热系数是4.66 W/(m2·℃)，进行ANSYS模拟，模拟结果见图4。

图4 模拟结果4Fig.4 The simulation results 4

如图4所示，外壁的温度是2.217 73 ℃，代入公式（1）得到空气的对流换热系数为4.670 6 W/(m2·℃)，误差为0.2%。

（5）第5次迭代，假设空气的对流换热系数是4.668 W/(m2·℃)，进行ANSYS模拟，模拟结果见图5。

图5 模拟结果5Fig.5 The simulation results 5

如图5所示，外壁的温度是2.194 73 ℃，代入公式（1）得到空气的对流换热系数为4.669 69 W/(m2·℃)，误差为0.03%。迭代结果统计见表1。

表1 迭代结果统计（一）Table 1 Iteration Results Statistics（1）

如表1所示，最后一次迭代，误差已经足够小，所以空气的对流系数取最后一次计算结果值4.669 69 W/(m2·℃)。

3.2 管外壁所处环境温度为最高温模拟

第二次模拟是取环境的极高温度，空气的温度39.5 ℃，天然气温度27 ℃，天然气被加热，天然气对流换热系数50.8 W/(m2·℃)，管道材料为钢材，保温层材料为聚氨酯，钢的热传导率60，聚氨酯的传导率0.022，管内径为100 mm，壁厚为2.5 mm，保温层厚度为3.7 mm。建模时所取的单元类型为4节点二维平面单元。

模拟过程省略，模拟结果见表2。

表2 迭代结果统计（二）Table 2 Iteration Results Statistics（2）

如表2所示，最后一次迭代，误差已经足够小，所以空气的对流系数取最后一次计算结果值3.675 9 W/(m2·℃)。

3.3 模拟结果与试验结果对比

通过大量实验，对于自然对流来说，空气的换热系数一般在1～10 W/(m2·℃)之间，当取环境温度为-27 ℃，空气对流换热系数为4.669 69 W/(m2·℃)，取环境温度为39.5 ℃，空气对流换热系数为3.675 9 W/(m2·℃)，模拟结果与试验结果吻合较好。

4 结 论

（1）文章提出了一种数值模拟结合自然对流计算公式精确确定空气对流换热系数的方法。

（2）通过两个案例分析，具体展示了该方法的应用过程，案例分析得到的空气对流换热系数与试验结果吻合较好，证明了该方法的可行性和可靠性。

［1］杨世铭，陶文栓. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006．

［2］钱滨江，伍贻文，常家芳，丁一鸣. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1983．

［3］王宝国，刘淑艳，王新泉，朱俊强. 传热学[M]. 北京: 机械工业出版社, 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］赵震楠. 传热学[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，陕西大荔县人，硕士研究生，研究方向：石化设备结构安全性评价，结构完整性及灾害预防。E-mail：776222383@qq.com。