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。     

有内置物的二维封闭方腔自然对流实验研究

利用实时激光全息干涉法研究了内置孤立物体的二维封闭方腔自然对流换热。得出了在不同的Ｒａ数下和具有不同导热系数的内置孤立物体情况下的平均换热系数,有内置物体与无内置物体时相比,相同条件下自然对流的换热系数减少,而且当内置物体的导热性能较高时,其换热系数下降的幅度更大,有关的数值解与实验结果基本一致。     

高Da数封闭腔内非饱和多孔介质的自然对流

建立了描述高Ｄａ数封闭腔内多孔介质非饱和自然参流行为的二维无量纲模型，采用有限差分法对两侧为恒壁温条件的封闭腔内的流动与传热特进行了数值求解，分析了含湿非饱和多孔介质的自然对流特性，并将其与饱和多孔介质的流动情况进行了比较。     

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．     

部分充满多孔介质的封闭空腔内自然对流的数值研究

采用Forchheimer Brinkman扩展模型数值研究了部分充满多孔介质的封闭矩形空腔内的自然对流，系统地考察了加热强度、渗透率、多孔区高度、导热系数比以及高宽比等参数对腔内流动与传热的影响，给出了相应的速度场与温度场，并得到了平均Nusselt数随时间的变化规律。     

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.     

矩形封闭空间内湿多孔介质自然对流的非达西效应

建立了考虑介质内部流体运动惯性力及粘性力的封闭腔内多孔介质非饱和自然对流行为的二维无量纲模型。研究了两侧为恒壁温、上下为绝热条件的含有湿多孔介质的矩形封闭腔内自然对流的非达西效应。通过数值计算，揭示了介质的惯性力、粘性力及Ｄａ数对传热的影响，同时对颗粒导热比、加热条件等对传热的影响进行了分析。     

变物性对水平同心套管中自然对流换热的影响

研究了变物性对水平同心套管夹层中自然对流换热的影响。计算时Ｒａ达到了１０＾６,温差率θ０＝（Ｔｂ－Ｔｃ）／Ｔｃ分别为０．２、０．５、１．０和２．０半径比从１．５０、２．２８、３．３３到５．００计算时采用质量平均温度Ｔｍ作为参考温度,得到了速度场和温度场的分布。     

大高度比竖环形封闭空腔内层流自然对流换热的数值研究

对大高宽比竖环形封闭空腔内自然对汉换热问题进行了数值研究，考虑竖环形空腔内自然对流是符合Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假定的层流，稳态的二维轴对称流动，在适当Ｒａｖｌｅｉｇｈ数变化范围内，用涡量一流函数方程对该问题进行了 数值模拟，得到了２≤Ｋ≤１０和Ａ＝２４的几何参数下竖环形封闭空腔在内管表面为等热流，包壁恒壁温情形的流动模式和换热热规律，并讨论了数值计算结果与实验结果之间的一致和差异。     

复杂矩形封闭空腔中自然对流换热的数值研究

复杂矩形封闭空腔中自然对流换热在工程上有着广泛的应用,诸如太阳能集热器,建筑物隔热,火焰及烟雾扩散等。本文对图2所示复杂矩形封闭空腔中自然对流换热(Ra=10~4～10~7)进行了数值研究。本文基於TEFESS 通用程序,用SIMPLE 算法和上风格式,并选取合适的初始场和松弛因子得到了形状比为1/2、几种空隙比下流场和温度场的收敛解,以及热壁上局部和平均努谢尔特数与雷莱数及空隙比的关系式。结果表明采用隔板后传热有所削弱,且隔板越厚和离热壁越远则传热效果越差。文中所得结论,不仅明确了中等雷莱数区和边界层区中有着不同的传热特性,而且对太阳能集热器,建筑物空调和隔热保温的设计都有参考价值。     

太阳能腔式吸热器自然对流热损的数值研究

腔式吸热器是碟式太阳能热发电系统的一个重要组成部分,它的性能优劣直接影响到整个发电系统的效率。重点分析了腔式吸热器的自然对流热损,建立了6种典型腔式吸热器的二维模型,选用FLUENT6.3计算了在开口直径为10cm,壁温为400℃,倾角α=0°条件下的6种腔式吸热器的内部自然对流热损失。计算和比较发现,球形吸热器的内部对流热损比其他5种吸热器平均低10%。通过计算球形吸热器在不同Aw/Al(内表面积/开口面积)和不同倾角下的对流热损大小,发现球形吸热器的对流热损随倾角的增大而显著减小,在α=0°(开口朝侧面)时最大,α=90°(开口垂直向下)时最小;计算得到球形吸热器的最佳Aw/Al值为8～10。     

自然对流对方腔内相变石蜡熔化蓄热的影响

相对于传统材料,基于潜热储能的相变材料具有更高的储热效率。为了研究方腔内相变材料的蓄热机理,基于Boussinesq假设修正满足于相变过程的动量方程,并建立底边加热下相变材料熔化蓄热的流-固-热三场耦合计算模型。采用有机相变石蜡材料,开展底部恒定温度下的石蜡熔化蓄热试验,验证计算模型的正确性。结果表明,整个相变石蜡熔化过程是由热传导和自然对流传热两者共同主导的。在熔化初期,熔化前缘基本与加热面平行,热量传输主要由热传导提供。当液相层厚度大于2mm后,自然对流传热效应逐渐被激活,加速熔化速率,并形成不规则的融化前缘。根据熔化前缘与液相流动特征,可将整个熔化过程分为热传导、稳定增长、过渡及紊流四个阶段。此外,液相自然对流传热对相变石蜡的熔化蓄热效率提升存在显著的尺寸效应,并随方腔尺寸增加而加剧。当方腔尺寸小于2mm时,自然对流的提升效率不足1%,此时可忽略不计。     

方腔内20～720 K温差下自然对流变物性模型

提出了适合于在温差20～720K下层流自然对流计算的变物性流体模型.在不可压流体模型的基础上,该模型考虑了流体密度、粘度和热导率随温度的改变.开发了非均匀同位网格下的SIMPLEC修正算法.用该模型对20K和720K温差下和不同Ra数(103～105)下的方腔内自然对流问题进行了数值计算,得到速度场分布、温度场分布和热壁处平均Nu数.计算结果与基准解,以及与基于Boussi-nesq假设的不可压流体模型计算结果进行了比较,验证了该模型及算法是行之有效和简单的.     

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。     

方腔内不同位置块状食品层流冷却数值研究

为了考察冷却器内不同位置食品的冷却行为,利用Ansys有限元软件的CFD模块对单侧冷却的方腔进行非稳态共轭传热分析,给出了冷壁面和食品表面的对流换热系数(h);结果表明,食品的放置位置不同,由于腔体内空气流动和对流换热的差异,会导致冷却过程中冷壁面h变化趋势有所不同,食品表面的h在冷却刚开始时变化强烈,且沿着表面呈"M"型变化,在食品拐角处会出现h的突变,除置于方腔上方的食品冷却速率较慢外,其余几种的冷却速率相差不大。     

横管表面自然对流传热特性的实验分析和数值模拟

对大空间内管径d=40mm横管表面的自然对流进行了实验分析和数值模拟,通过测出不同位置的壁温计算出横管表面的自然对流换热系数α,并与3种不同经验公式计算值进行了比较,得出大空间内横管径表面自然对流换热系数的最佳经验公式;并用数值计算方法模拟了大空间自然对流换热现象。     

介质参数对多孔介质腔内自然对流换热的影响

采用局部非热平衡模型,对非热平衡多孔介质方腔内的非达西自然对流进行了数值研究,采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型描述多孔介质内的流动,研究在不同参数条件下,即Pr、Da、空隙率φ、Ra等参数的不同取值下,有效导热系数比γ及无量纲容积换热系数H对多孔介质自然对流换热的影响,研究表明:γ的增加会削弱方腔内自然对流换热;ε、Da数的增大能够增加流体相平均Nu数,而对于固体相则有降低的作用;综合表明,只有在γ取值达到10.0以上时,局部热平衡假设才能得以成立。     

方腔内混合对流换热的数值研究与模型实验

为研究方腔内混合对流向受迫对流过渡的临界参数,通过数值模拟和模型实验,得到了不同工况下的流场、温度场,并将数值结果与实验结果进行了对比,通过一系列的数值计算,取得了均匀通风方式时混合对流处于受迫对流占优状态、自然对流受到抑制时的特征参数,指出描述方腔内混合对流的特征参数Ｇｒ／Ｒｅｎ中的ｎ不等于２,并发现当自然对流引起的旋涡消失时,自然对流对换热仍有一定的影响。     

顶部送风方腔内混合对流换热的数值研究

采用非稳态数学模型对具有对称和非对称结构的顶部送风二维方腔内混合对流流场与温度场进行了数值求解.数值计算中控制参数Ra取为固定值106,Re在1 000~3 000范围内变化.数值结果显示,随Re的增大,具有对称结构问题的数值解会分别出现定常解、周期性振荡解和非周期性振荡解;而对于非对称结构问题,数值解的最大网格Pe虽然大于对称结构问题的最大网格Pe,数值解是定常的,并未发生解的振荡.因此,判明具有对称结构的顶部送风二维方腔内混合对流问题数值解的振荡是客观存在的物理振荡,而非数值方法不稳定所引起的数值振荡.     

考虑非稳态自然对流的固体溶解过程数值模拟

为了揭示封闭腔内考虑非稳态自然对流的固体溶解的流动、传质以及固体表面形貌变化规律,利用溶解动力学和传质学相关理论,建立了固体溶解过程的二维数学模型,并借助有限元分析软件COMSOL进行了数值模拟,得到了溶解过程中固体尺寸对流动、传质和固体表面形貌的影响规律.研究结果表明:该方法可以很好地捕捉由于溶解引起的界面运动和变形...