復(fù)雜邊界條件下具有密度極值流體的熱對流研究.pdf

1、熱對流過程廣泛存在于各種自然現(xiàn)象和工程技術(shù)領(lǐng)域中,其中,封閉腔體內(nèi)的熱對流更是隨處可見,因此,一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點問題。目前,關(guān)于熱對流的研究主要是針對密度隨溫度線性減小的常規(guī)流體,對具有密度極值流體熱對流的研究主要集中在水平環(huán)縫內(nèi),而對工程上常見的復(fù)雜邊界條件下具有密度極值流體的熱對流研究很少。本文以相變蓄冷裝置中的熱對流問題為研究背景,對復(fù)雜邊界條件下具有密度極值冷水的熱對流過程進(jìn)行了系統(tǒng)研究,得到了不同Rayleigh(Ra)數(shù)

2、、密度倒置參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)下復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)形腔、矩形腔和圓柱形腔內(nèi)熱對流的各種流型結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律,分析了各主要參數(shù)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)形腔內(nèi)冷水自然對流、矩形及圓柱形腔內(nèi)冷水Rayleigh-Bénard(R-B)對流流動和傳熱的影響。本文研究結(jié)果對于發(fā)展具有密度極值流體自然對流傳熱理論、拓展R-B對流的研究領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價值,同時,也可以為相變蓄冷裝置的工程設(shè)計及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑E圓環(huán)形腔內(nèi)具有

3、密度極值冷水的自然對流進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了不同Ra數(shù)、密度倒置參數(shù)、橢圓曲率、半徑比和旋轉(zhuǎn)角等參數(shù)下的流場、溫度場及傳熱特性,討論了各參數(shù)對流動和傳熱的影響。結(jié)果表明,當(dāng)Ra數(shù)較小時,傳熱以導(dǎo)熱為主,隨著Ra數(shù)的增大,對流傳熱逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,當(dāng)Ra數(shù)超過某一臨界值時,流動將轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)流動。密度倒置參數(shù)對流動結(jié)構(gòu)和傳熱性能具有決定性影響,當(dāng)密度倒置參數(shù)在接近0.5時,流動呈兩相互抑制的雙胞結(jié)構(gòu),此時傳熱能力最差。同時,平均Nusse

4、lt(Nu)數(shù)隨半徑比的減小及橢圓曲率的增加而增大;旋轉(zhuǎn)角對流場和溫度場影響較大,腔體傾斜時,流場中出現(xiàn)的次級流胞不再成對出現(xiàn),而是單一地出現(xiàn)在腔體的某一側(cè),其可使內(nèi)壁底部區(qū)域的局部Nu數(shù)增大,但對平均Nu數(shù)影響較小。
　　⑵分析對比了具有不同幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜異型腔內(nèi)、具有密度極值冷水自然對流的流場和溫度場的差異,討論了各種參數(shù)對不同異型腔內(nèi)傳熱的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),R-C、T-C、E-S和 E-T結(jié)構(gòu)環(huán)形腔上部或下部區(qū)域發(fā)生了R-B對

5、流,在較大半徑比時,R-C、D-C、T-C、E-S和 E-T結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔內(nèi)會出現(xiàn)流胞分裂現(xiàn)象。幾何結(jié)構(gòu)對傳熱性能有很大影響,對于外壁為不同幾何結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔,當(dāng)Ra數(shù)較小時,T-C結(jié)構(gòu)傳熱能力最強,當(dāng)Ra數(shù)較大時,R-C結(jié)構(gòu)傳熱能力最強。對于內(nèi)壁為不同幾何結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔,當(dāng)密度倒置參數(shù)較小時,E-D結(jié)構(gòu)傳熱性能較好,隨著密度倒置參數(shù)的增大,E-T結(jié)構(gòu)和 E-D結(jié)構(gòu)傳熱能力增強。通過對計算結(jié)果的回歸整理,得到了各環(huán)形腔內(nèi)冷水自然對流傳熱關(guān)聯(lián)式

6、。
　　⑶確定了矩形和圓柱形腔內(nèi)具有密度極值冷水R-B對流流動的臨界條件、可能存在的流型結(jié)構(gòu)以及流型演變過程,結(jié)果表明,冷水的密度倒置特性對R-B對流有決定性影響。系統(tǒng)失穩(wěn)的臨界Ra數(shù)比常規(guī)流體大,且隨密度倒置參數(shù)的增加而增大。不同密度倒置參數(shù)下,對流結(jié)構(gòu)不同,傳熱能力隨密度倒置參數(shù)的增大而減小。導(dǎo)熱側(cè)壁增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,兩種熱邊界條件下流型結(jié)構(gòu)以及分岔序列有很大差別。寬(徑)深比的增大會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,當(dāng)寬(徑)深比較小時,對

7、流結(jié)構(gòu)多為單渦卷和雙渦卷結(jié)構(gòu),且圓柱形腔內(nèi) R-B對流系統(tǒng)更加穩(wěn)定;當(dāng)寬(徑)深比較大時,出現(xiàn)了復(fù)雜的多渦卷對流結(jié)構(gòu),圓柱形腔內(nèi) R-B對流流動結(jié)構(gòu)與矩形腔內(nèi)的差異較大,在圓柱形腔內(nèi) R-B對流還出現(xiàn)了中心對稱流型。相同Ra數(shù)下,多種流型可以穩(wěn)定共存,且各流型的對流傳熱能力也存在差異,但這種差異并不大。
　　⑷對圓柱形腔內(nèi)具有密度極值冷水R-B對流進(jìn)行了實驗研究,結(jié)果表明,實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好;壁面平均Nu數(shù)都隨密度倒置