三維傳熱計算

三維傳熱計算是指計算物體的溫度隨三維面的位置及時間而變化的傳熱計算過程。當溫度隨時間不發生變化時，此時計算物體溫度是三維穩態傳熱計算。當溫度隨時間發生變化時，此時計算物體溫度是三維非穩態傳熱過程。

基本介紹

• 中文名：三維傳熱計算
• 外文名：Three-dimensional heat transfer calculation
• 領域：能源，化工，材料
• 學科：數值傳熱學
• 基本釋義：傳熱計算在三維問題上的計算

計算簡介

三維穩態傳熱計算

穩態傳熱，是指傳熱系統中各點的溫度僅隨位置而變化，不隨時間而改變，這種傳熱過程稱為穩態傳熱。當在三維物體上存在這種穩態傳熱過程時，計算這種情況下物體的溫度分布，熱流密度的計算過程即稱為三維穩態傳熱計算。

三維非穩態傳熱計算

物體的溫度隨時間而變化的導熱過程稱為非穩態導熱，根據物體溫度隨時間的推移而變化的特性，非穩態導熱可以區分為兩類物體的溫度隨時間的推移逐漸趨近於恆定的值及物體的溫度隨時間而做周期性的變化。當在三維物體上存在這種非穩態傳熱過程時，計算這種情況下物體的溫度分布，熱流密度的計算過程即稱為三維非穩態傳熱計算。

計算方法

有限單元法

有限單元法是一種獲得工程問題近似解的數值分析方法，它通過離散的有限個單元集合體來代替真實的結構，通過對單元的分析，進而得到整個結構的近似解，在工程設計中，這種近似解已能滿足工程的需要，有足夠的精確度。有限單元法是最初結構力學中桿繫結構的矩陣位移法的一種推廣，並套用於二維和三維問題。然而，與桿繫結構不同，二維和三維實體沒有明顯的聯結點，這就需要建立許多人為的節點，將連續體離散化為許多任意形狀的單元，用此方法，連續體便可用有限個自由度的系統來近似表示，並求得其近似解。

輻射離散傳播法

運用空間解析幾何理論與數值計算相結合的方法，實現了輻射離散傳播法（DTM）在三維圓柱腔體內輻射傳熱計算的套用。採用坐標轉換，建立了輻射射線方程，通過直接求解所有發射點上各立體角內的輻射射線與各輻射單元體的交點，確定射線經過的路徑及各交點與發射點的距離，然後按照距離遠近對焦點進行排序，得到適合DTM法求解輻射能量傳遞方程的交點順序，運用該方法對圓柱腔體內輻射換熱進行三維計算，得到的精確解基本相符的結果；將DTM法套用於煤粉燃燒火焰輻射換熱的計算，得到的溫度場實驗結果基本一致。表面輻射熱流密度分布合理。

運用領域

有限單元法在爐牆三維傳熱計算中的套用

大型冶金爐體-高爐爐牆由耐火材料與各種形式的冷卻壁組成，內部傳熱實質上是三維傳熱過程，常用的一維或二維簡化傳熱模型不能客觀的反應爐牆的溫度分布，而溫度分布又決定了爐牆的熱應力場和爐襯材料的化學侵蝕過程，因此準確了解爐牆傳熱過程，將有助於尋找爐牆襯磚蝕損的某些主要因素，以便通過靈活的調節手段實現爐牆傳熱過程的控制與調整，保證爐牆磚襯在適宜的熱環境下長期工作。因此可以運用有限單元法分析大型高爐爐牆的三維傳熱問題，進而預測與控制爐牆的侵蝕速度，延長高爐壽命。

在三維圓柱腔體輻射傳熱計算中的套用

對高溫傳熱及燃燒問題中，圓柱腔體內輻射換熱的計算對燃燒器設計、爐內傳熱計算及高溫換熱器設計等有著十分重要的意義。近年來,隨著人們對環境質量要求的不斷提高，新穎低排放旋流煤粉燃燒器結構的不斷開發與研究，對煤粉燃燒器中輻射換熱按軸對稱二維計算已不能滿足要求。基於將邊界格線面輻射能離散成能束，兼有蒙特卡洛法、區域法和熱通量法特徵的輻射離散傳播法(DTM),由於其原理簡單，使用方便,在鍋爐燃燒傳熱計算及其它傳熱計算中得到了套用，對三維圓柱坐標下DTM實施方法也逐漸有所研究。

三維傳熱計算在大型煤粉鍋爐爐膛中的套用

隨著發電鍋爐容量和參數的不斷提高，對鍋爐運行的可靠性和經濟性要求亦愈加嚴格。因此,準確地進行爐膛傳熱計算對於大型發電鍋爐設計的成功與否十分重要。對於大型鍋爐的爐膛，其上部通常布置有相當數量的屏式過熱器，“鍋爐機組熱力計算標準方法”將屏式過熱器簡單地處理成爐膛輻射受熱面，且採用零維模型，屏式過熱器的傳熱計算很不準確。而通常的鍋爐爐膛傳熱三維數值計算方法採用全爐膛統一的計算分區形式，不能適用於大型鍋爐爐膛傳熱計算。屏式過熱器的準確傳熱計算目前已成為大型鍋爐設計的主要問題。針對這一問題，由學者提出了上、下爐膛分體耦合的爐膛傳熱計算模式，並且套用此模式和二階假想面法建立了大型煤粉鍋爐爐膛傳熱工程化三維數值計算方法。此方法不受上、下爐膛計算分區兼容條件的限制，可以按計算精度的要求細化上、下爐膛的傳熱計算，為大型煤粉鍋爐屏式過熱器的準確傳熱計算提供了一個可靠的方法。