湍流热通量分布的模拟艺术：CFD学习新篇章

要点

• 湍流传热机制广泛应用于工程和技术过程中。
• 湍流热对流问题通常使用范式系统或瑞利贝纳德 (RB) 对流系统来解决。
• 对湍流热通量分布和行为进行建模对于进一步提高热交换效率和性能非常重要。

大多数流体流动遵循湍流特性。当使用纳维-斯托克斯方程以数学方式描述湍流时，通常会遇到一些限制。为纳维-斯托克斯方程找到满足初始条件并在湍流流体流动中继续保持有效的独特解是工程师面临的常见挑战。

大气湍流就是一个例子，其中湍流热通量的混沌性质使得求解控制方程在数学上具有挑战性。大气中存在湍流热通量，即显热通量和潜热通量。显热和潜湍热通量在能量传输回大气中发挥着重要作用。与大气湍流类似，湍流热通量存在于多种工程和技术系统中。我们将在本文中探讨湍流热通量。

大气湍流热通量

由于湍流热通量，地球表面以辐射形式接收的能量被传输回大气层。大气中的湍流热交换发生在毫米到公里范围内的运动尺度上。大气中有两种湍流热通量，即显热通量和潜热通量，引起能量传输。白天，感热通量使大气加热至 100m 左右。

虽然湍流在大气和海洋中自然发生，但人类也将湍流纳入了一些工程和技术过程中。让我们在接下来的部分中了解一下湍流热对流以及如何测量湍流热通量。

瑞利数、普朗特数、努塞尔数与湍流热对流的关系

湍流热对流在工程技术和工业系统中用于传热和混合。湍流热对流问题通常使用范式系统或瑞利贝纳德 (RB) 对流系统来解决。以下无量纲数对于描述湍流传热和湍流热对流具有很大的相关性。

1. 瑞利数 -描述自然对流换热的层流或湍流性质的无量纲量。瑞利数与格拉霍夫数和普朗特数的关系如下：

Ra _x = Gr _x * Pr

1. 普朗特数 -普朗特数表示为动量扩散率与热扩散率的比率。它给出了流体中湍流动量交换和湍流传递能力之间的相似性。普朗特数是流体的固有属性。
2. 努塞尔数 -流体表面发生的对流换热可以通过努塞尔数来测量。努塞尔数可以表示为流体表面的无单位温度梯度。

在 RB 对流系统中，普朗特数和瑞利数决定流动动力学。此类系统中的湍流热通量是根据努塞尔数来测量的，其对瑞利数和普朗特数的依赖性由从实验数据获得的预因子给出。

模拟湍流热通量分布

湍流和传热在工业过程中无处不在。例如，在热交换器应用中，利用了湍流和热传输。在此类系统中，壁的性质或纹理影响过程的效率和热通量分布。

当湍流被限制在固体表面时，边界层会在壁附近形成。速度边界层在壁面附近具有零值，并且在流动的核心处达到相当大的值。类似地，温度从热（底部）到冷（顶部）温度变化到流核心的中间温度。

RB湍流对流中边界层形成的速度和温度梯度影响动量分布和热通量分布。有必要对湍流热通量分布和行为进行建模，以进一步提高换热效率和性能。

湍流热通量传输方程是热交换器系统建模的数学基础。根据流动特性，湍流热通量传输方程中通常存在对流项、扩散项和压力-温度梯度项。通过准确地模拟湍流热传输，可以预测所考虑的系统中的平均温度分布和湍流热通量分量分布。通过从湍流热通量模型中获取知识可以提高热传输系统的整体精度。

湍流热通量的动力学

与湍流热通量分布和行为相关的动力学需要对湍流热传输系统进行建模。Cadence 的 CFD 工具可以通过行业领先的网格划分方法、强大的求解器和后处理功能，帮助您对动态流体流动系统中的湍流热通量分布进行建模。

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