水平環(huán)縫內具有密度極值流體的自然對流流型演變及傳熱特性研究.pdf

1、自然對流換熱廣泛存在于各種自然現(xiàn)象和工程技術領域之中，封閉腔體內的自然對流由于其在工程上的重要應用而日益受到重視。目前，已有的研究主要是針對Boussinesq流體，即密度隨溫度的增加呈線性減小。對具有密度倒置的非Boussinesq流體的自然對流的研究主要集中在矩形腔內，而對工程上常見的水平環(huán)縫內的自然對流涉及很少，可以說這方面的研究幾乎還是一片空白。本文以工程上常見的蓄冷系統(tǒng)中水平環(huán)縫內冷水的自然對流為研究對象，采取實驗和數值模擬相

2、結合的方法確定了穩(wěn)態(tài)自然對流存在的流動型式以及失穩(wěn)后各種流型的演變規(guī)律，討論了幾何參數、密度倒置參數和Rayleigh(Rα)數等對自然對流傳熱的影響，并揭示了流動失穩(wěn)的物理機制，獲得了傳熱關聯(lián)式，研究結果可為工程上蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能和優(yōu)化設計提供理論指導。
　　 首先，建立了水平同心和偏心環(huán)縫內冷水自然對流的物理模型和數學模型，并進行了系統(tǒng)的二維和三維數值模擬，得到了水平環(huán)縫內冷水在密度最大值附近自然對流的溫度場和流場；然后，分析

3、了環(huán)縫半徑比、偏心率、環(huán)縫長寬比、密度倒置參數和Rα數等參數對自然對流的影響，弄清了具有密度極值流體穩(wěn)態(tài)和振蕩自然對流的基本特性。結果表明：(1)流型主要由密度倒置參數Θm和Rα數決定。當密度倒置參數較小時，其流型與常規(guī)流體的結果相似，Rayleigh-Bénard對流出現(xiàn)在環(huán)縫的頂部區(qū)域，相反，當密度倒置參數較大時，Bénard流胞出現(xiàn)在環(huán)縫的底部區(qū)域附近，而當密度倒置參數居中時，形成了兩逆向旋轉的雙胞結構。環(huán)縫半徑比對流型的結果影響

4、較小，Bénard流胞的數量隨著半徑比的增加而減小。(2)不同密度倒置參數下，振蕩自然對流的機理不同。當密度倒置參數較小和較大時，環(huán)縫頂部和底部的垂直溫度梯度分別驅動其振蕩自然對流；當密度倒置參數居中時，水平溫度梯度在此振蕩流中起著主導作用。(3)偏心率對流型的影響較小，偏心導致環(huán)縫在變窄的區(qū)域呈現(xiàn)窄環(huán)縫內的流動特征，變寬的區(qū)域呈現(xiàn)寬環(huán)縫內的流動特征，因此，出現(xiàn)Bénard流胞的臨界Rα數隨著偏心率的改變而不同。(4)相同條件下，內壁面

5、平均Nusselt(Nu)數隨著Rα數和半徑比的增加都增大；兩逆向旋轉的雙胞結構相互抑制，從而導致Θm=0.5附近的平均Nu數值最小。同時，擬合得到了內壁面平均Nu數的傳熱關聯(lián)式。(5)三維數值模擬觀察到了不同密度倒置參數下的典型流型，得到的R-θ截面上的速度場和溫度場與二維數值模擬相似，由于兩絕熱端面的影響，出現(xiàn)Rayleigh-Bénard對流的臨界Rα數不同。R-Z截面上，不同密度倒置參數下在環(huán)縫頂部和底部橫截面上出現(xiàn)流胞的規(guī)律與

6、二維結果相同。當密度倒置參數較小且Rα數也較小時，不同環(huán)縫寬度下的跡線圖與空氣的結果相同；當密度倒置參數較大且Rα數也較小時，環(huán)縫中間區(qū)域只有寬環(huán)縫內為二維流動，窄環(huán)縫和中等寬度環(huán)縫內為三維流動。此外，長寬比主要決定橫截面上流胞的數量。
　　 最后，設計和搭建了水平環(huán)縫內冷水自然對流傳熱及其強化實驗臺，與相同半徑下光管的實驗結果進行了比較。自然對流傳熱采用三維肋化表面進行強化，在內、外壁維持恒定溫度下，實驗研究了不同參數下的肋片