物理几何条件对多热源小空间自然对流换热的影响

发布时间：2017-04-27 23:04

  本文关键词：物理几何条件对多热源小空间自然对流换热的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着社会的不断发展,生活水平的不断提高,小型电子设备已经走进日常生活的细枝末节中,电脑、电视、移动电话等充斥着人们的生活,成为了现在社会不可或缺的一部分,同时,其可靠性成为了人们关注的焦点。据统计,电子设备内部温度过高是其失效的主要原因。因此,为了满足我国社会和人们生活的需要,为了让小型电子设备能更好的服务于我们的生活,对小型电子设备进行有效散热,是确保电子产品的可靠性的关键。本文以小型电子设备散热为背景,对从中抽象出的含有内热源的封闭方腔内自然对流换热问题进行了数值模拟和实验研究。利用ANS YS软件,对抽象出来的含内热源的封闭方腔进行了几方面的研究,分别模拟了改变腔体的长宽比、改变热源高度尺寸、改变热源在水平方向位置和改变热源在竖直方向的位置这四类问题,分析换热特征。采用激光全息干涉照相技术和烟可视化方法对模拟的典型工况进行实验研究,分析传热机理。通过对比模拟结果和实验结果总结出封闭方腔内自然对流换热规律,为进一步优化设计提供技术参考。本文首先利用ANSYS软件对含双内热源的封闭长方体腔内自然对流换热问题进行了数值模拟研究,得到如下结论:在封闭腔内高温热源与低温壁面的温差为5℃,即Ra为3000的工况下,封闭腔内介质呈稳定流动状态。当封闭腔长高宽比较小时,温度分布变化较明显,垂直于短轴的速度向量场不出现涡卷现象;当长高宽比增加到2:1:1时,腔内出现两个涡卷,且分布在双热源两侧,当长高宽比增加到4:1:1时,腔内出现4个涡卷,分布在双热源两侧和中间,且长高宽比较大时,温度分布变化较小.垂直于长轴的截面随着长高宽比的增加,涡卷变宽;通过监测顶面平均Nusselt数可以得出,随着长高宽比的增大,顶面平均Nusselt数逐渐减小,即在长高宽比较小的时候,顶面的对流换热效果较好。在长高宽比为1:1:1工况下,腔内热源高度越高,温度分布变化越明显,垂直于短轴的速度向量场中,无论热源高度如何变化,均未出现完整涡卷现象;在垂直于长轴的速度向量场中,随着热源高度的增加,涡卷逐渐增大。通过监测顶面平均Nusselt数可以得出,随着热源高度的增加,顶面平均Nusselt数逐渐增大,顶面的对流换热效果增强。随着热源距宽乘高截面的水平距离a的增大,温度分布变化的明显程度先增大后有下降趋势。在垂直于短轴的速度向量场中,无论水平距离a如何变化,均出现两个涡卷,在水平距离a较小时,涡卷出现在双热源中间,且随着双热源间距的变小而变窄,在水平距离a较大时,涡卷出现在双热源的左右两侧,且随着双热源间距的变小而变宽;在垂直于长轴的速度向量场中,随着热源距宽乘高截面的水平距离a的增大,热源两侧的涡卷先逐渐清晰,后有消融趋势。通过监测顶面平均Nusselt数可以得出,随着水平距离a的增大,顶面平均Nusselt数先减小后增大,在水平距离a为0.5H时,顶面的对流换热效果最弱。随着热源距底面的竖直距离b的增大,温度分布变化程度明显增强,在垂直于短轴的速度向量场中,无论竖直距离b如何变化,均出现两个涡卷;在垂直于长轴的速度向量场中,随着热源距底面的竖直距离a的增大,热源两侧的涡卷逐渐清晰,且位置上移。通过监测顶面平均Nusselt数可以得出,随着竖直距离b的增大,顶面平均Nusselt数逐渐增大,顶面的对流换热效果增强。本文采用激光全息干涉照相技术和烟可视化方法对含双内热源的封闭长方体腔内自然对流换热问题进行了实验研究,得到如下结论:随着Ra数增大,温度场等温线的倾斜程度增大,自然对流换热量增多。垂直于短轴速度向量场中双热源的两侧均会各形成一个涡卷,随着长高宽比的增加,涡卷的旋转速度逐渐减小,涡卷逐渐变宽;垂直于长轴速度向量场热源两侧同样会各形成一个涡卷,随着长高比的增加,涡卷流速减慢,涡卷逐渐清晰饱满。当热源距宽乘高截面的距离a为0.3H时,垂直短轴速度向量场中,双热源的两侧各形成了一个宽度较窄的涡卷,且形状出现扭曲,在垂直长轴速度向量场中可以看见,热源左右两侧各形成了一个涡卷;当a为0.7H时,垂直短轴速度向量场中,双热源的两侧的涡卷宽度较宽,在垂直长轴速度向量场中,热源左右两侧形成的涡卷受附近的流场受影响较为模糊。当热源高度h为0.3H时,在垂直短轴速度向量场中形成两个清晰涡卷,位置偏上,在垂直长轴速度向量场中可以看见,热源上空两侧各形成了一个涡卷,其所占空间较小,且稍显模糊,说明由于封闭腔空间较小,热源位置较近,因此其空间流场收到了影响。实验结果与模拟结果基本吻合,验证了结论的可靠性。本文从以上几个方面进行了系统的研究,对小空间自然对流领域以及小型电子设备散热问题的研究有一定的理论参考价值。
【关键词】：小型电子设备 双热源 自然对流 涡卷 物理几何条件
【学位授予单位】：吉林建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU111.3
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第1章 绪论15-20
• 1.1 课题项目名称15
• 1.2 课题背景15
• 1.3 研究综述15-18
• 1.3.1 Rayleigh数 对方腔换热影响的研究综述15-16
• 1.3.2 方腔结构尺寸对换热影响的研究综述16
• 1.3.3 热源位置对换热影响的研究综述16-17
• 1.3.4 边界条件对换热影响的研究综述17-18
• 1.3.5 复杂腔内自然对流换热情况18
• 1.4 本文主要内容18-20
• 1.4.1 已有研究工作的不足18
• 1.4.2 本文主要研究内容18-20
• 第2章 基本数值方法20-33
• 2.1 控制微分方程20
• 2.2 通用微分方程及其离散20-23
• 2.3 差分格式23-32
• 2.3.1 上风差分23-24
• 2.3.2 QUICK格 式24-29
• 2.3.3 压力修正与SIMPLE算 法29-32
• 2.4 数值计算步骤32-33
• 第3章 封闭方腔内自然对流换热的数值研究33-55
• 3.1 数值计算方法33-35
• 3.1.1 基本模型描述33
• 3.1.2 控制方程33-34
• 3.1.3 无量纲努塞尔数34-35
• 3.2 计算方法验证35
• 3.3 模拟结果分析35-53
• 3.3.1 确定封闭腔内介质稳定流动的温差35-36
• 3.3.2 不同长高比对自然对流换热的影响36-40
• 3.3.3 不同热源高度对换热的影响40-43
• 3.3.4 热源水平位置对换热的影响43-47
• 3.3.5 热源竖直位置对换热的影响47-51
• 3.3.6 通过监测Nusselt数分析换热规律51-53
• 3.4 本章小结53-55
• 第4章 含内热源封闭腔内自然对流的实验研究55-72
• 4.1 激光全息干涉实验原理55-57
• 4.2 实验系统57-61
• 4.2.1 实验台57-58
• 4.2.2 实验段58-59
• 4.2.3 实验光路设计59-61
• 4.3 实验步骤61-62
• 4.4 实验结果与分析62-70
• 4.4.1 不同Ra数下温度场的分析62-63
• 4.4.2 不同工况下流场的分析63-70
• 4.5 本章小结70-72
• 结论72-75
• 参考文献75-79
• 附录 主要符号表79-82
• 攻读学位期间发表的学术论文82-83
• 致谢83

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本文编号：331583