高瑞利数下封闭腔内自然对流的数值模拟

为了推广应用高瑞利数下的自然对流换热技术,有必要对自然对流流动与换热特性进行深入研究。采用不引入人工扰动的直接数值模拟方法,对发生在高宽比为4的封闭腔内的自然对流流动与换热进行了研究,分析了平均温度、平均主流速度、涡量和局部努塞尔数的分布特性。研究结果表明:从静止等温流体初始条件出发,不引入任何人工扰动自然对流可以顺利发展到湍流,节约了计算资源;即便瑞利数等于1010,自然对流的平均温度、平均主流速度、涡量和局部努赛尔数分布都具有边界层型流动和换热的特征;在普朗特数为0.71~500的范围,当封闭腔内自然对流换热出现湍流换热特征时,局部瑞利数处于107~108量级。     

封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性

为研究封闭方腔自然对流的涡结构和传热特性,对普朗特数,Pr=0.71,方腔高长比A=H/L=1,瑞利数Ra=1.58×109的二维封闭方腔自然对流进行了直接数值模拟. 给出了水平边界层发展阶段和垂直边界层转捩阶段的流场结构以及Nu数分布. 结果表明,压力梯度对方腔的水平速度变化起着决定性的作用;高Ra数下的自然对流在逆压梯度作用下水平方向形成一系列的涡,这些涡使得水平边界层流动形成分层结构;壁面Nu数与速度梯度?v/?y有着密不可分的关系.      

物性参数对封闭腔体自然对流数值模拟的影响

采用两种不同的物性参数处理方法对不同温差下的封闭方腔内自然对流进行数值计算,研究瑞利数Ra从103～106之间时,封闭方腔内空气的流动换热规律,将所得到的数值模拟结果与研究文献做了对比分析,验证了其方法的准确性,同时对比分析了利用多项式考虑气体物性参数随温度变化情况下的数值模拟结果.计算结果表明,在所计算的问题中,小温差下把热物性参数设置为常数可以一定程度上减小计算量,加快计算收敛速度,但在大温差下,物性参数设置为常数计算将造成计算结果相对误差较大.     

多孔介质内自然对流传热传质研究

该文研究了含内热源圆柱形多孔介质内不均匀温度分布产生的浮力效应引起的自然对流。给出了以流函数表示的无量纲基本方程,用控制容积法对方程离散并进行了数值计算,得到了多孔介质内的流场、温度场和浓度场,讨论了瑞利数Ｒａ和刘易斯数Ｌｅ对多孔介质传热传质的影响。     

有体积热源的矩形空腔内层流自然对流的数值模拟

对具有内热源方腔的稳态层流耦合自然对流换热进行了三维的数值模拟,采用的模拟代码基于连续介质计算力学的开源库OpenFoam,解决了自然对流换热与固体传热的耦合问题.Ra数的变化从105到109.对外壁面为常温、方腔内充满含体积热源流体的自然对流计算结果表明,温度场、速度场与非耦合的工况有很大差异.     

矩形封闭空间内非饱和多孔介质自然对流的近似分析解

从合湿多孔封闭腔内流体流动与传热特征出发，提出了一种线性近似假设法，并用该法对矩形封闭腔内含湿多孔介质的自然对流行为进行了近似分析求解，得到了其温度分布、速度分布与传热数表达式．该近似解在形状比Ａ＞３及当量瑞利数Ｒａ＃＝１０～２５０的范围内具有较好的准确性     

共轭传热室内自然对流数值模拟研究

研究建筑围护结构传热与流体流动综合作用下室内自然对流数值模拟，建立了一套同时在固体一流体区域整体求解连续性方程、动量方程和能量方程的数值模拟方法。具体分析了瑞利数变化范围为10^4到10^6时建筑围护结构传热对室内自然对流的影响。数值预测结果表明：该方法能够真实反映室内自然对流问题。为室内自然对流问题数值模拟提供了一种实用有效的方法。     

一种改进的格子玻尔兹曼方法及其在流固耦合传热问题中的应用

含热源颗粒的方腔自然对流是一种常见的流固耦合热流动问题.本文提出一种使用分布函数修正的浸没边界格子玻尔兹曼方法来处理流固耦合和流场及温度场耦合问题,并把该方法运用到含移动热源颗粒的方腔自然对流的数值模拟中,分析了方腔内的速度,温度,热源颗粒的轨迹和受力,探究其热源颗粒对传热机理的改善,解决了含热源的自然对流情况下流固耦合传热问题.     

有限体积法与LBM分区耦合模拟方腔自然对流

在已有的密度分布函数重构算子的基础上,推导出了温度分布函数的重构算子,解决了格子Boltzmann方法(LBM)与有限体积法耦合计算传热问题的关键难题.选二维方腔自然对流对耦合方法进行了考核.在瑞利数Ra=103~106范围内,耦合结果同商业软件FLUENT结果符合得很好,并且各物理量在耦合界面处连续且光滑过渡.通过残差曲线可以看出,耦合模型在密网格以及大瑞利数情况下,数值稳定性要好于单一LBM.     

基于多相流模型的腔体内纳米流体自然对流换热数值模拟

运用多相流混合模型和单相流模型模拟了纳米流体在封闭腔体内的自然对流换热特性,将模拟结果与相应的实验值进行对比,分析了瑞利数、格拉晓夫数和纳米颗粒体积分数等物理量与努塞尔数的关系;同时,对比分析了纳米流体和纯水在水平与垂直中心截面的速度分布,以及封闭腔体内流体的温度场及流场.结果表明:基于N-S方程的单相流模型所得努塞尔数变化曲线与水的努塞尔数曲线较吻合,但不能反应纳米流体的换热特性;而基于多相流混合模型所得努塞尔数变化曲线与相应的实验结果较吻合;纳米颗粒的添加能够显著增强封闭腔体内的流体运动,有利于强化封闭腔体内流体的能量传输,起到了对流换热作用.     

热壁面位置对矩形腔内自然对流影响的数值分析

对矩形腔内冷热壁面位于侧壁不同相对位置时的自然对流换热问题进行了数值模拟.腔体左侧局部壁面维持恒定高温,右侧局部壁面维持恒定低温,左右侧壁的其它部分以及顶部和底部壁面绝热.按照冷热壁面的相对位置是否左右对称,通过改变Rayleigh数的大小,分析了不同工况下矩形腔内温度场、流场和热壁表面平均Nusselt数的变化,得到了Rayleigh数在103~106之间的结果.冷热壁面对称分布时,位于侧壁中部的换热作用最强;不对称分布时,热壁面位于侧壁中部、冷壁面位于侧壁上部的换热作用最强.     

封闭腔内层流自然对流换热过渡层数值研究

对正方形空腔内的层流自然对流换热进行了数值模拟 ,用SIMPLE算法和乘方格式对该问题 (Ra =1× 10 3～ 1× 10 6)进行了详细的数值计算 .根据计算结果 ,在前人工作的基础上总结出封闭腔内层流自然对流换热的变化规律 ,提出了导热占主导地位的层流流动和导热与对流共时作用的层流流动的分界点 ,同时得出了两个区域的平均努塞尔数的计算公式 ,通过比较 ,表明其精度较以前的计算公式要高 .     

纳米流体强化换热特性的LBM模拟

采用LBM模拟了封闭方腔内不同体积分数、不同浮升力参数下纳米流体自然对流时速度场与温度场的分布,得出了纳米流体换热强度随各参数的变化情况.结果表明,当Ra较小时换热表现为导热占主导,随着Ra增大,换热表现为对流占主导,两者的换热都会随着纳米颗粒体积分数的增加而增强,且纳米颗粒体积分数在壁面附近对温度分布的影响比在中心区域的明显;在不同Ra下,纳米粒子体积分数增加所引起的X和Y方向速度峰值增大的幅度不同,Ra较大时,随纳米粒子体积分数的增加,X和Y方向的速度峰值大幅增加.     

顶部放热的矩形空间多孔介质中自然对流

顶部放热的矩形空间多孔介质中自然对流陈振乾施明恒（东南大学动力工程系，南京２１００１８）多孔介质中流体的流动和传热在地热利用、太阳能利用、石油热采、核能开发及某些化工过程中有重要的应用［１］，特别对太阳能储热和地热资源的开发更具有重要的意义．通常，...     

开口空腔内湍流自然对流与表面辐射的耦合传热

对具有单个加热壁的二维方形开口空腔内的湍流自然对流与表面辐射的耦合传热进行了数值研究。结果表明,辐射强烈地影响腔内的流场及温度场,它既可增强也可减弱空腔的湍流自然对流换热;不同Rayleigh数和温差比下,空腔的总换热率及辐射所占份额均呈现不同的变化规律。     

具有截面自然对流通道内湍流换热的直接数值模拟

对矩形管道内具有稳定自然对流的充分发展湍流换热进行了直接数值模拟，湍流雷诺数如和普朗特数Pr分别为400和0．71，格拉晓夫数Gr为10^4、10^5、10^6和10^7．分析了管道截面上雷诺应力对主流平均速度、截面流速以及截面平均温度的影响．结果表明：在Gr较小时，湍流雷诺应力的作用使截面的平均换热系数增大；在Gr为10^7时，浮升力的作用增强，但湍流产生的雷诺应力使自然对流的作用减弱．因此，与层流相比，在Gr相同时，湍流的管道截面平均换热系数反而减小．     

水平六角蜂窝腔内三维自然对流的数值计算

通过对水平六角蜂窝腔内流动和换热的数值计算，得到了Ra数从500～10^5内侧壁绝热时蜂窝腔内空气的流动换热结果．计算对比分析了在大温差条件下采用Boussinesq假设所带来的计算误差．数值计算方法采用有限体积的SIMPLEC算法，考虑蜂窝腔内空气物性随温度的变化．计算结果显示，在Ra=1000时，腔内的空气开始出现不稳定．对流项的离散采用二阶迎风格式和QUICK格式可得到几乎相同的结果，而采用一阶迎风格式可使结果产生一定的误差．计算结果也表明，在所计算的问题中，如果采用Boussinesq假设将使计算结果误差比较大．