復(fù)雜邊界條件下具有密度極值流體的熱對(duì)流研究.pdf

1、熱對(duì)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(duì)流更是隨處可見,因此,一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題。目前,關(guān)于熱對(duì)流的研究主要是針對(duì)密度隨溫度線性減小的常規(guī)流體,對(duì)具有密度極值流體熱對(duì)流的研究主要集中在水平環(huán)縫內(nèi),而對(duì)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(duì)流研究很少。本文以相變蓄冷裝置中的熱對(duì)流問題為研究背景,對(duì)復(fù)雜邊界條件下具有密度極值冷水的熱對(duì)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(duì)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(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)形腔內(nèi)冷水自然對(duì)流、矩形及圓柱形腔內(nèi)冷水Rayleigh-Bénard(R-B)對(duì)流流動(dòng)和傳熱的影響。本文研究結(jié)果對(duì)于發(fā)展具有密度極值流體自然對(duì)流傳熱理論、拓展R-B對(duì)流的研究領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值,同時(shí),也可以為相變蓄冷裝置的工程設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)橢圓環(huán)形腔內(nèi)具有

3、密度極值冷水的自然對(duì)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(chǎng)、溫度場(chǎng)及傳熱特性,討論了各參數(shù)對(duì)流動(dòng)和傳熱的影響。結(jié)果表明,當(dāng)Ra數(shù)較小時(shí),傳熱以導(dǎo)熱為主,隨著Ra數(shù)的增大,對(duì)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(shí),流動(dòng)將轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)流動(dòng)。密度倒置參數(shù)對(duì)流動(dòng)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(shí),流動(dòng)呈兩相互抑制的雙胞結(jié)構(gòu),此時(shí)傳熱能力最差。同時(shí),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(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)影響較大,腔體傾斜時(shí),流場(chǎng)中出現(xiàn)的次級(jí)流胞不再成對(duì)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(duì)平均Nu數(shù)影響較小。
　?、品治鰧?duì)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(duì)流的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的差異,討論了各種參數(shù)對(duì)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(duì)

5、流,在較大半徑比時(shí),R-C、D-C、T-C、E-S和 E-T結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)流胞分裂現(xiàn)象。幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能有很大影響,對(duì)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(shí),T-C結(jié)構(gòu)傳熱能力最強(qiáng),當(dāng)Ra數(shù)較大時(shí),R-C結(jié)構(gòu)傳熱能力最強(qiáng)。對(duì)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(shí),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(qiáng)。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的回歸整理,得到了各環(huán)形腔內(nèi)冷水自然對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式

6、。
　?、谴_定了矩形和圓柱形腔內(nèi)具有密度極值冷水R-B對(duì)流流動(dòng)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(duì)R-B對(duì)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(duì)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(qiáng)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(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性,當(dāng)寬(徑)深比較小時(shí),對(duì)

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(duì)流系統(tǒng)更加穩(wěn)定;當(dāng)寬(徑)深比較大時(shí),出現(xiàn)了復(fù)雜的多渦卷對(duì)流結(jié)構(gòu),圓柱形腔內(nèi) R-B對(duì)流流動(dòng)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(duì)流還出現(xiàn)了中心對(duì)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(duì)流傳熱能力也存在差異,但這種差異并不大。
　?、葘?duì)圓柱形腔內(nèi)具有密度極值冷水R-B對(duì)流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)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