基于特征分裂有限元准隐格式的共轭传热整体耦合数值模拟方法1)

刘 瑜 邓家钰 王成恩,2) 苏红星

∗(上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240)

†(大连理工大学航空航天学院,辽宁大连 116024)

引言

共轭传热现象在科学和工程领域中大量存在[1],比如核反应系统[2],燃气轮机涡轮叶片冷却[3-4],航天器热防护[5-6],化工处理[7],生物医学[8-9],电子设备散热[10],MEMS 设备中的微槽道对流换热[11]等.

共轭传热问题除了实验研究以外,可以通过理论分析或数值模拟的方法求解.理论分析方法对简单的模型(如平板,圆管等)进行建模,通过简化得到精确或近似的理论解[12].理论方法对共轭传热问题的理解很重要,但只适用于简单的问题.数值模拟将流动的数值解与固体传热的数值解耦合起来,主要有两种耦合方法:分区耦合(partitioned)[13]和整体耦合(monolithic)[14]方法.分区耦合方法对流场和固体热分析采用各自相应的成熟的求解器,然后通过迭代方法满足流热耦合的界面条件,即在界面上温度和热流应是连续的.分区耦合方法的优点是可以采用现有的流动和固体热分析求解程序,但是为了满足界面条件需要进行迭代求解,在不同的求解器之间传递边界条件,算法实现复杂,并且还需要考虑分区耦合算法在流固耦合界面上的稳定性条件[15-20].整体耦合方法将流动方程和固体传热方程统一离散,然后求解单一的方程.整体耦合方法的优点是不需要处理流固耦合界面条件,缺点是如果流动特征时间和固体传热特征时间差别很大,非定常共轭传热的计算量……