矩形腔内冷水稳态自然对流换热的二维数值模拟

为了了解矩形腔内非Boussinesq流体自然对流换热的特有现象和规律,利用有限容积法对矩形腔内的冷水自然对流进行了一系列数值模拟,得到了不同宽深比、Rayleigh数下的流场和温度场,并对不同条件下的壁面传热特性进行了比较与分析。计算结果表明:随着宽深比的增大,流动逐渐增强,流胞数逐渐增多,壁面平均Nusselt数逐渐增大,并趋于某一定值;随着Rayleigh数的增加,换热能力也会增强,而且流动结构的转变会在更小的宽深比下发生。采用逐步线性回归方法,得到了关于热壁平均Nusselt数的传热关联式。     

不同冷热壁面对方腔内对流换热影响的格子Boltzmann模拟

基于格子Boltzmann方法，选取多弛豫时间(MRT)模型对具有局部冷热壁面立体方腔中的三维自然对流换热进行模拟研究。分别采用三维D3Q19模型描述速度场，D3Q7模型描述温度场，研究不同瑞利数Ra（10³≤Ra≤10⁵）和局部冷热壁面位置变化对三维方腔内自然对流的影响。结果表明：冷热壁面的布置方式对流动换热有显著影响，且瑞利数Ra越大，其影响效果越明显。其中，冷热壁面均处于中间位置（工况5）的自然对流换热能力最强，并且随着Ra逐渐增大，自然对流能力增强，流线逐渐复杂。在相同工况条件下，随着Ra增大，平均努塞尔数Nu_av也逐渐增加，换热能力增强。在相同Ra条件下， 工况5的Nu_av最大，表明其自然对流换热能力最强。     

竖直矩形窄通道空气自然对流换热特性的实验研究

实验研究了竖直矩形窄通道内空气自然对流换热特性.实验段间隙为1.0、1.8和2.5 mm,实验段宽为60 mm,高为800 mm,高与间隙之比为320～800,宽与间隙之比为24～60.实验在环境温度和压力下进行,在实验段宽边两侧对称均匀布置电加热棒间接加热,平均壁面热流密度为100～1 500 W/m2.实验结果表明:由于实验段进出口端部效应的影响,壁面最高温度出现在流道出口上游,而不是出口处;壁面热流密度呈现端部偏高、中部趋于平坦的趋势.换热特性分析表明,本实验结果要比文献中公式预测的结果偏高,并且在0.141～16.8的Rayleigh数范围内,3个实验段的换热可以很好地用关系式Nu=0.263Ra0.308拟合.     

局部高温壁面下复合腔体内传热传质

为研究局部高温壁面下,复合腔体内自然对流及传热传质规律,采用一区域模型整体对腔内温度场、浓度场和流场进行求解.高温壁面无量纲长度A=0.5(A=a/H),局部壁面温度为Th,浓度为Ch;右侧垂直壁面分别为Tc和Cc.对局部高温壁面的相对位置B、多孔结构的孔隙率ε、瑞利数Ra的影响进行综合的数值计算,由数值计算结果得出:局部高温壁面位置不同,腔内流体流动及传热传质不同,B值在0.6附近时对应的平均努赛尔数Nu和平均舍伍德数Sh最大;ε=0.7时Nu出现最小值;Ra对传热传质影响也较大.     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

内置翅片参数对封闭腔内流体流动与传热性能的影响

为了研究内置翅片参数对封闭腔内湍流自然对流换热的影响,采用RNG k-ε模型数值分析了翅片位置、翅片高度和翅片数量对封闭腔内温度场和流场的综合影响。结果表明：在热壁面上布置1个翅片,热壁面竖向边界层厚度随翅片高度的增大而变厚,但腔体顶部水平边界层结构变化微弱;本文所研究的短翅片高度对热壁面上远离翅片位置处局部传热特性影响很小;在热壁面上距底面2H/6处布置高度为1.5cm的翅片能使得热壁面上平均Nu数获得最大值,在热、冷壁面上距底面及顶面分别为2H/6处各布置1个高度为1.5cm的翅片能达到同样的强化传热效果。但在热、冷壁面上距底面及顶面分别为H/6处各布置1个翅片时,翅片高度过大或过小均会抑制热壁面与腔内气流之间的对流换热过程。本文研究结果对于指导工业工程中封闭空间内流体的冷却或加热具有一定的理论参考价值。     

发汗冷却湍流换热过程的数值模拟

为了验证湍流二方程模型在数值模拟发汗冷却过程的适用性,在PHEONICS3.3软件平台上采用两层k-ε湍流模型对无发汗冷却和有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:发汗冷却使得边界层显著增厚,壁面摩擦阻力因数大为减小;随着冷却气体流量的增加,壁面温度和局部对流换热系数都大大下降。在注入率为1%左右时,发汗冷却段的壁面温度相对值降到了20%左右,局部对流换热系数相对值降到了50%以下。所得到的计算结果与已有关系式符合得很好:注入率在2%以内时误差小于10%。     

格子Boltzmann方法模拟磁场作用下的融化传热过程

采用格子Boltzmann方法对磁场作用下方腔内相变材料的融化传热及液相流体流动过程进行数值模拟,重点分析磁场倾角对融化相变传热过程的影响,为实现相变传热的主动控制技术提供参考.研究表明磁场可以控制融化相变传热过程,当磁场倾角大于180°时,磁场加速度方向指向热壁面方向,磁场强化换热,热壁面平均Nu_h数增加,融化速率加快;当磁场倾角小于90°、磁场加速度方向指向冷壁面侧时,磁场弱化换热,热壁面平均Nu_h数下降,融化速率降低;磁场倾角为231°时,磁场强化传热效果最佳.     

正弦温度分布边界条件下腔体内自然对流的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法构建侧壁面正弦温度分布条件下自然对流的数学模型,进行模型验证,并重点分析瑞利数以及高宽比K对腔体流线分布和等温线分布的影响.结果表明:在侧壁面正弦温度分布条件下,其流线图为上下两个流动方向相反的涡,其等温线分布也为上下两部分.随瑞利数Ra增加,上下两个涡的中心逐渐向腔体右侧偏移,而等温线在左侧近壁面处,由半圆弧形逐渐变为垂直,方腔中部上下两部分等温线水平向右凸起;当腔体宽度增加时,上下两个涡变为左右分布,且在腔体左下角出现一个二级涡.随腔体宽度的继续增加,二级涡越来越小,上下温度分布的基本对称发生了变化,上部温度分布占据大部分;当腔体高度增加时,其流线分布大致类似,近壁侧等温线变为垂直,方腔中心处向右凸起.     

封闭方腔自然对流的格子-Boltzmann方法动态模拟

以压力分布函数和内能密度分布函数为基本演化变量,构建了一个新的不可压缩的双分布函数热格子-Boltzmann模型.对封闭方腔内自然对流进行数值分析的结果表明,该模型可以克服原模型的可压缩效应,并在一定程度上提高了计算结果的数值精度.以此模型动态模拟封闭方腔自然对流的形成和演化过程的结果表明:Ra越大,流场的演化越复杂,稳定状态下方腔内涡的数量越多,高低温壁面附近的换热越强烈,压强逐渐呈现出中心低,上、下壁面附近高的对称分布.     

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．     

矩形闭合空间内多孔介质中自然对流传热研究

对底面恒温加热顶面恒温冷却、其它壁面绝热的矩形闭合空间内多孔介质中的自然对流传热问题,简化为二维模型进行数值计算和分析,在Ra≤300范围内,揭示了流场、温度场和换热效果随瑞利数(Ra)变化的特性,证实了从导热向自然对流开始过渡的第一临界瑞利数 Ra_c=40,给出了努谢尔特数(Nu)、瑞利数(Ra)和形状比(A)之间关系的理论计算公式和曲线。     

皖南民居墙体热工性能的计算分析

皖南地区民居建筑的墙体热工性能是影响其室内舒适度的主要因素之一。通过对该地区特殊构造的空斗墙体的热工性能进行深入研究,根据热工原理,以热阻和传热系数值为衡量标准,针对特殊构造的空斗墙提出较科学的计算方法,对比空斗墙体在不同砌筑方式、不同墙体材料以及不同空腔填充材料条件下的热阻及传热系数值,并与实体墙对比分析,得到空斗墙体的K值大小规律为全斗无眠﹥一眠三斗﹥一眠二斗﹥一眠一斗;填有黄泥的空斗墙热阻值较空气间层空斗墙提高约16%;较中间层均为黄泥的青砖空斗墙热阻比粘土砖空斗墙的热阻高出10%;青砖实体墙较粘土砖实体墙热阻能高出14%.由结果分析得到,空斗墙比实体墙的热稳定性强,保温性能好;青砖较粘土砖的热阻值更大,更为节能,而空斗墙体的热工性能与空腔的体积无正比关系,空斗墙体空腔中的填充材料性能是影响墙体热工性能的主要因素,填充材料的导热系数越小,墙体热工性能越好。     

特殊条件下矩形封闭空腔内自然对流数值研究

在封闭腔侧壁均匀加热且同时顶壁均匀冷却的特殊条件下 ,应用新的近壁面网格加密法 ,针对一个系列的瑞利数和纵横比 ,进行了详细的稳态自然对流换热问题的数值模拟 .通过分析诸多工况对流动形式和能量传递的影响 ,发现当纵横比较大时 (at>1) ,瑞利数对传热的影响比较明显 ;而当纵横比较小 (at<1)和瑞利数较大时 ,纵横比的影响比较明显 .对数值结果进行了回归 ,得到了Nu和Ra的关联式 ,其精度较以前的近似拟合公式要高     

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.     

被动式太阳能加热系统动态热特性研究

为揭示特隆布墙体作为热边界条件的被动式太阳能实验房的动态热特性,对被动式太阳能实验房进行了实测;根据相关性理论分析了室内空气温度的多种相互耦合的影响因素.表明烟囱效应诱导的空气热循环是影响室内空气温度最显著的因素;根据频域分析理论研究了集热蓄热墙的传热特性;利用Ra数分析了各壁面温度对自然对流换热的影响;将间层内的自然对流简化为两个垂直平行平板的大空间自然对流问题.分析确定热循环过程中间层内的空气处于从层流到湍流的复杂流态,湍流至少覆盖墙体高度的一半;最后,根据拟舍得到的平均Nu数.将空气热循环划分为起始、稳态和消失3个阶段.     

水平环状扇形通道内自然对流的数值计算

对水平放置环状扇形通道在内、外管壁为恒热、冷温度，及两侧壁为绝热的边界条件下件下自然对流换热的数值计算，得出了偏转角、扇角、半径比及Ｒａ数对当量导热系数Ｋ∞的影响，基本揭示了各种环状扇形通道内的自然对流换热规律，对工程实际应用有很强的指导意义。     

加气混凝土墙体的热桥效应及局部保温措施

加气混凝土砌块作为一种能满足寒冷地区65%节能要求的自保温墙体材料,在严寒地区应用时,局部易产生热桥效应,且热桥部位极易产生发霉、冻胀和墙体抹灰层空鼓等问题.本文针对加气混凝土砌块墙体中的外转角及丁字墙部位进行实测,确定了这些部位热桥的影响范围,并分别建立了传热计算模型对温度场进行模拟.同时根据模拟结果设计了热桥部位的局部保温形式,分析了局部保温层厚度和保温层位置对温度场的影响.结果证明,局部保温措施能够提高热桥部位温度,减弱甚至消除热桥的影响,有效抑制墙体内部冷凝及其引发的冻胀冻融现象.研究结果可为加气混凝土砌块自保温墙体在寒区的应用和推广提供理论依据.     

一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失特性实验

通过建立腔式吸热器热损失性能测试实验台,采用电加热的方法,分别在所有壁面加热和只有底面(开口对面)加热2种情况下,探讨倾角和热流密度等参数对一侧全开式圆柱形腔式吸热器热损失的影响,获得自然对流热损失的努塞尔特数Nuc和辐射热损失的努塞尔特数Nur分别与格拉晓夫数Gr、倾角φ、自然对流热损失的热流密度qc或辐射热损失的热流密度qr的实验关联式。结果表明,输入功率不变时,吸热器的自然对流热损失随着φ的增大而减小,导热损失和辐射热损失随φ的增大而增大,但增大的幅度不大;当qc一定时,Nuc随φ的增大而减小,而当qr一定时,φ对Nur的影响很小;并且2种加热情况下的热损失性能存在一定的差异,加热位置对辐射热损失的影响要比对自然对流热损失的影响小。     

垂直矩形封闭空腔内自然对流传热的数值计算

对由两个不同温度的垂直等温壁和两个绝热或导热的水平壁所组成的二维封闭空腔内的自然对流传热进行了数值模拟；分析了瑞利数（Ｒａ）及Ａ值（高宽比）对腔内温度分布和空腔传热性能的影响，并提出了传热系数关联式．此外对高Ｒａ下在空腔中心出现的“逆向温差”现象也作了合理的解释，并校核了由Ｅ．Ｒ．Ｇ．Ｅｃｋｅｒｔ和Ｓ．Ｈ．Ｙｉｎ 提出的传热状态分区图．