隔板对流系统中影响流动和温度特性的关键几何参数

有效提高热对流系统的传热效率是湍流热对流研究的重要目标之一.在对流装置中加入留有狭缝的竖直隔板可以产生传热效率增强现象,并且增强显著.隔板的加入增加了热对流系统的几何参数.本文采用直接数值模拟(DNS)对隔板对流装置的流动和温度特性进行计算研究,讨论隔板几何参数对流动特性的影响.研究结果表明,隔板局部区域几何尺寸相同则流动特性基本相同,装置的宏观宽高比对流动特性影响不大.对Ra=10~8,P_r=5.3的情况,通过大量不同几何参数系列计算数据分析发现,通道宽度b与狭缝高度d在满足b≥4d时,b对流动特性影响很小,狭缝高度d是控制隔板对流系统流动和温度特性的关键几何参数.狭缝水平流动为二维泊肃叶流动,与狭缝中的温度分布解耦.改变狭缝高度d对狭缝中流动速度的变化影响不大,但影响系统的流动流量以及整体温度分布特性,继而影响整体传热特性.     

多孔介质方腔内自然对流影响因素数值模拟

为研究封闭方腔内饱和多孔介质自然对流传热,采用控制体积法,运用多孔介质局部热平衡假设,整体求解方腔内的温度场和流场,根据计算结果着重分析瑞利数Ra和达西数Da对多孔介质方腔内自然对流换热特性的影响.计算结果表明:当Ra取定值,壁面平均努塞尔数Nu随Da数的增加而增大;当Da数取定值,壁面平均努塞尔数Nu随Ra的增加而增大;随着达西数Da数的增加,临界瑞利数Ra逐渐减小.     

固体流体导热系数对多孔介质内传热影响研究

以多孔介质内固体导热系数ks、流体导热系数kf相互影响多孔介质传热为研究对象,对多孔介质内无量纲温度、速度、高温壁面努谢尔数Nu、平均努谢尔数Nu和ks/kf、瑞利数Ra间关系进行研究;采用差分法对数学模型进行离散化处理,应用高斯–赛德尔方法迭代求解,对网格的独立性和计算过程进行了验证,得到了多孔介质传热一些基本数据,分析了无量纲温度、速度随ks/kf、Ra的变化规律.研究结果表明:ks/kf改变多孔介质内温度和速度的变化,ks/kf值大,温度梯度和速度梯度在壁面附近大,温度梯度和速度梯度在无量纲长度0.2~0.8范围内很小;当ks/kf很小时,多孔介质内对流作用较弱,ks/kf1以后,Nu随着ks/kf逐渐增大,对流作用增强,它成为热传输的主要动力,ks/kf对多孔介质内对流作用的增强、削弱是非常关键的,为强化传热可提高ks/kf值,为削弱传热可降低ks/kf值;在工农业生产中加热多孔介质类物质热量应集中在下部有利于热量高效利用.     

饱和多孔介质自然对流模型与实验

以饱和多孔介质内流体流动、流体和固体传热为研究对象,考虑流体密度随温度变化,局部热平衡,引入Brinkman-Forchheimer的扩展Darcy模型进行修正,建立固体随机堆积饱和多孔介质自然对流数值模型,采用有限体积法计算.利用自主研制的两侧恒温差立方体多孔介质实验台,对数值模型进行实验验证.综合数值计算和实验结果表明:腔体内最大流速随温差和瑞利数Ra增大而增大,且最大流速出现在高低温壁面附近;随着Ra增大,温度等值线由近似于平行于高低温壁面变为近似垂直于高低温壁面;高温壁面上Nu从上至下呈线性增加趋势;高温壁面Nu随Ra增大而增大,当Ra102时,Nu维持在12以内;当102Ra106,Nu增加迅速,由11.4增加到276.4;当Ra106,Nu增加速率很小.     

不同屋顶结构下室内自然对流传热数值分析

以室内自然对流传热过程为研究对象,采用质量守恒方程、能量守恒方程进行数值计算,给出了Ra数在10³～10⁸之间时,三种不同屋顶结构下室内等温线、流体流线的分布特征和Nu数的变化特征.分析结果表明:随着Ra数的增大,等温线由近似竖直变为水平,靠近高、低温壁面有边界层的产生,高Ra数下的室内气流变得紊乱;三种屋顶下的Nu数曲线形状相似,Ra=10³时拱形屋顶的Nu值最大,高Ra数时平屋顶房屋的Nu值最小,换热效果较差;拱形屋顶Nu与Ra的拟合公式为:Nu=0.316Ra^0.262.     

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。     

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.     

底部加热多孔介质内传热数值研究

为了研究底部加热多孔介质方腔内的自然对流传热,采用整体求解法对方腔内的温度场和流场进行了数值模拟计算,着重分析了瑞利数Ra对多孔介质方腔内自然对流换热特性的影响.计算结果表明:随着Ra数的逐渐增加,对流换热开始占主要作用,等温线变得扭曲;流线由逆时针单胞对流逐渐变化为正反两个双胞对流,流动出现分叉现象,温度场和流线相互对应.平均Nusselt也随之增大,换热效果得到增强.     

隔板对流系统中影响流动和传热的压力分布特性

本文采用直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)研究隔板对流系统中的压力分布特性和作用.随着流动失稳,传热通道中纵向压力差与温度漂移和速度同步产生,最终形成隔板相间的压力分布.在隔板对流系统的狭缝和通道中,压力分布分别具有水平和纵向线性分布特性,压力梯度为常值.狭缝中压力分布沿流动方向为顺压分布,传热通道中的压力分布沿流动方向为逆压分布.狭缝中是水平压力驱动的二维泊肃叶流动,流动的速度剖面呈现抛物线型.传热通道中纵向压力差是抵抗温度漂移产生单向浮力而出现的,在b≥4d的条件下流动受纵向合力的影响很小,主要由水平狭缝流动的连续性保持.     

近似半椭球波纹板片板式换热器的传热特性

对以凸胞和凹坑中心为平面的非连续近似半椭球波纹不锈钢板片组成的板式换热器进行空气的对流传热特性试验。根据试验结果拟合出该板式换热器内空气的对流传热关联式和量纲一的流动阻力系数公式。结果表明:在对流传热方面,当较小雷诺数Re时,努森数Nu随Re增大而增长较快;当较大Re时,Nu随Re增大而增长减缓;在流动阻力方面,随着Re的增大,空气的流动压力降Δp增大,且当大Re时具有更快的增长趋势。     

方形柱体外侧自然对流换热的干涉仪研究

本文用Mach-Zehnder干涉仪对置于空气中水平方形柱体的大空间自然对流换热进行了系统的实验研究.得到了柱体底面与水平线成各种倾角下的温度场;整理了不同倾角下平均Nu数随Ra数变化的关系式;分析了底面倾角对整体换热影响的机理,得出了倾角等于45°时换热最强的结论;分析了不同倾角下局部Nu数沿壁面变化的原因,尖角对换热的影响.并对自然对流流动分离进行了探讨,认为方形柱体在各种倾角下,Ra数超过一定值时,均会产生流动分离,分离的可能性随Ra数的增高而加大.     

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.      

倾斜角对方腔内非稳态自然对流影响的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法构建非稳态方腔自然对流的数学模型,并进行模型验证,分析流场和温度场随时间的变化,重点讨论瑞利数Ra、倾斜角度θ对方腔内非稳态流动特性和传热特性的影响.结果表明:随着瑞利数Ra增大,平均努塞尔数Nu_a变大.瑞利数Ra=10~4、Ra=10~5和Ra=10~6工况的平均努塞尔数Nu_a曲线发生波动,瑞利数Ra=10~3工况的平均努塞尔数Nu_a曲线未产生波动.瑞利数Ra=10~6工况的稳定时间最短,瑞利数Ra=10~4工况的稳定时间最长.倾斜角度θ=0°和θ=30°工况的平均努塞尔数最优,且稳定时间最短;倾斜角度θ=90°和θ=270°工况的平均努塞尔数最差.     

热源位置对室内自然对流换热影响的数值分析

利用热和流体流动控制方程,以室内局部加热(集中热源)的自然对流换热现象为研究对象,分析讨论了不同瑞利数Ra(Ra=103～106)、不同热源位置时的室内流体流线、等温线分布特征以及平均努赛尔数Nu的变化.分析结果表明:针对某一固定热源位置情况,随着Ra的增大,室内的热传输形式由热传导逐渐变为对流换热,等温线和流线形状随着Ra的增大发生变化,流线逐渐变得"紊乱";Nu与Ra呈幂数关系,拟合后其线性相关性可达93%.     

倾斜多孔方腔内自然对流非正交MRT-LB数值模拟

建立了倾斜多孔方腔自然对流的非正交多松弛系数格子Boltzmann(MRT-LB)模型,选取典型热流动问题分析了非正交转换矩阵的MRT-LB模型数值稳定性和运算效率,并对倾斜多孔方腔内自然对流现象进行了模拟研究,讨论了孔隙度ε(ε=0.4,0.6,0.9)、倾角θ(-180°≤θ≤180°)、Rayleigh数(10~4≤Ra≤10~7)及Darcy数(Da=10~(-4),10~(-2))等参数对流动传热的影响.结果表明:非正交转换矩阵的MRT-LB模型具有更好的数值稳定性和收敛速度;倾斜多孔方腔高温壁面上平均Nusselt数随倾角变化呈M型分布;Ra数、Da数增大使得Nusselt数最大值所对应的倾斜角度θ_(max)呈滞后规律;低Ra数时Nusselt数曲线出现不连续变化现象.最后通过曲线拟合得到Nusselt数与Ra*(Ra*=DaRa)数的幂函数关系式.     

二维湍流Rayleigh-Bénard对流温度边界层脉动影响特性研究

采用并行直接数值模拟(PDM-DNS)计算了系列Pr数和Ra数二维方腔Rayleigh-Bénard(RB)热对流.根据Shishkina等人加入脉动的温度边界层理论,得到由参数c控制的温度边界层剖面,系统地研究了参数c与Rayleigh数(Ra)、Prandtl数(Pr)的关系. Pr数为4.3和50.0的系列Ra数温度边界层剖面中,参数c的变化特性表明脉动对温度边界层的不同影响, Pr=4.3时, c较小且随Ra数变化不大, Pr=50.0时, c较大且随Ra数的增加呈下降趋势. Ra=10~(10)时不同Pr数的温度边界层剖面,参数c随Pr数增加而增大,当Pr≥4.3时,参数c与Pr数存在c～Pr~(0.15)标度率关系.系列Ra数不同Pr数的温度边界层剖面控制参数c随Pr数均存在标度率关系,标度值随Ra增高而减小,参数c随Pr数的变化特性基本呈扇形分布.由此表明,低Pr数温度边界层脉动强度较大, Ra数对边界层脉动影响较小,高Pr数温度边界层脉动强度较小但随Ra数增大而增强.     

用lattice Boltzmann方法模拟矩形竖腔内混合对流

用lattice Boltzmann方法(LBM)模拟了纵横比(高度与宽度之比)大于1的矩形竖腔内同时存在自然对流和强制对流的混合流动时流场与温度场分布.比较了不同雷诺数(Re)、瑞利数(Ra)下矩形腔的流场分布在不同纵横比时的特点,研究了这些参数值对混合对流换热的影响,提出混合对流存在时Re和Ra对流动和换热的影响可由Richardson数(Ri)综合反映,并得到在不同纵横比时平均Nusselt数(Nu)随Ra和Re的变化关系式.与常用的LBGK模型不同,用了LB力矩模型.     

振动对管内流体对流传热影响实验研究

利用实验的方法研究了水平圆管在高频低振幅的横向振动条件下,管内流体的传热特性,分析了不同振动参数对管内流体传热的影响.针对振动对传热影响的研究使用实验测量的振动加速度进行频谱分析得出共振频率.结果表明:随着振动频率的增加管内对流换热系数先增大,达到峰值(共振频率下)后迅速减小,最终趋于稳定;随着振动加速度的增大,管内对流换热系数增大,且振动频率对传热的影响要强于振动加速度.传热强度最高提升14.94%.此外,根据实验结果拟合了Nu增强率关联式,将拟合结果与实验值进行比较,误差最大在8.02%左右,可为工程实际应用提供参考.     

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.     

肋对套管内导热和对流耦合换热的影响

数值模拟了带均布纵肋同心套管内的三维导热和对流耦合换热,研究了肋高及肋数对摩擦阻力系数和平均Nusselt数(Nu)的影响.结果表明,肋高和肋数的变化对摩擦阻力系数和平均Nu都有显著影响,平均Nu随着肋数的增加有最大值;入口段Nu随肋高的增大而增大,充分发展段的Nu也随着肋高的增大而增大.