热流随时间振荡条件下二维等腰三角形腔体内纳米流体非稳态自然对流数值研究

发布时间：2020-05-01 13:50

【摘要】：现阶段,关于腔体内自然对流换热的研究大部分都集中在稳态自然对流换热,然而热边界条件随时间变化的腔体内非稳态自然对流换热现象,在电子、生物、化学工程以及太阳能利用等领域具有广泛的应用背景和意义。其次纳米流体作为一种具有优越传热性能的新型材料,正在逐步取代传统的换热介质。因此对于腔体内纳米流体非稳态自然对流换热的研究必不可少。本文在热源热流随时间振荡条件下,对二维等腰三角形腔体内Cu-水、Al_2O_3-水以及TiO_2-水纳米流体非稳态自然对流换热特性进行数值研究。本文的主要研究内容如下:(1)在底壁面局部热源热流随时间按余弦规律变化,左右斜壁面维持相对较低恒温的条件下,采用数值模拟的方法,研究分析了瑞利数Ra、纳米颗粒体积分数φ、热流振荡的无量纲周期τ_p等相关参数以及纳米颗粒种类(Cu、Al_2O_3以及TiO_2)对二维等腰三角形腔体内纳米流体的非稳态自然对流换热特性的影响。结果表明,增加Ra数和纳米颗粒体积分数,分别使三角形腔体内浮升力提高以及流体有效传热系数增加,强化了腔体内自然对流换热,加速了热量的传递,降低了热源温度。同时基液中添加纳米粒子会降低周期内热源温度的变化范围。其次,等腰三角形腔体内纳米流体的非稳态自然对流换热受到热源热流振荡无量纲周期τ_p的影响。其中当0.01≤t_p≤10时,热流振荡的无量纲周期对热源几何平均努塞尔数和最大无量纲温度的影响是十分显著的。在此范围内,随着τ_p的增加,周期内热源的温度变化范围增加,热源平均无量纲温度呈线性增加。然而当τ_p＞10时,腔体内自然对流换热受热流振荡周期的影响可以忽略。最后相比于Al_2O_3与TiO_2纳米颗粒,Cu纳米颗粒具有较高导热系数,因此同等条件下腔体内Cu-水纳米流体具有更优越的自然对流换热性能。(2)在底壁面局部热源热流随时间按余弦规律变化,左右斜壁面维持相对较低恒温的条件下,采用数值模拟的方法,研究分析了腔体高宽比、热源位置以及热源长度等几何条件对二维等腰三角形腔体内Cu-水纳米流体自然对流换热特性的影响。结果表明Ra数不同时,二维等腰三角形腔体内Cu-水纳米流体非稳态自然对流换热受腔体高宽比的影响出现差异。当Ra=10~4时,腔体高宽比的增加导致腔体内热量传递速率的降低;当Ra=10~6时,腔体高宽比的增加提高了腔体内流体流动的强度,自然对流换热得到强化;当Ra=10~5时,在A=1~1.5之间存在最不利的腔体高宽比A值,使得腔体内自然对流换热效果最差。其次相比于底壁面其他位置,当局部热源位于底壁面中心时,腔体内热量交换效率降低,自然对流换热效果减弱,热源温度升高。并且相比于高Ra数,低Ra数时腔体内换热速率受热源位置的影响更明显。同时随着热源长度的增加,热源产生更多的热量,导致热源温度升高,腔体内浮升力增强,流体流动速度提高。然而当热源无量纲长度e0.6时,腔体内Cu-水纳米流体自然对流受热源长度的影响可忽略。随着热源长度的增加,周期内热源最大温度升高,最低温度降低,热源具有更大的温度变化范围。同时发现腔体内Cu-水纳米流体非稳态自然对流换热过程中,靠近腔体冷壁面的热源端是热源与流体发生自然对流最强烈的位置,也是热量进入腔体的主要位置,从而导致热源的最高温度出现在热源中心位置。(3)在底壁面局部热源热流随时间按余弦规律变化,左右斜壁面维持相对较低恒温的条件下,采用数值模拟的方法,研究分析了不同瑞利数Ra以及不同的热源长度下,腔体倾斜角度对二维等腰三角形腔体内Cu-水纳米流体的非稳态自然对流换热的影响。结果表明Ra数不同时,腔体倾斜角度对腔体内Cu-水纳米流体非稳态自然对流换热影响不同。主要表现在低Ra数时,即Ra=10~4,腔体倾斜角度的变化对腔体内Cu-水纳米流体自然对流的影响可忽略。然而随着Ra数的增加,腔体倾斜角度的增加促进了腔体内流体流动增强,腔体内自然对流换热得到了强化,热源温度降低。当热源长度较短时,即无量纲热源长度ε=0.2或ε=0.4,随着腔体倾斜角度的增加,腔体内流体的流动增强,自然对流换热得到提升;当热源长度较长时,即无量纲热源长度ε=0.6或ε=0.8,高Ra数下0°~30°之间存在最不利的腔体倾斜角度δ,使得腔体内Cu-水纳米流体自然对流换热减弱,热量交换速率降低,热源温度升高。同时随着腔体倾斜角度的增加,腔体内流体与热源左端之间热量交换逐渐变得强烈,更多的热量将从左侧冷壁面传出腔体。最后,对于所有的Ra数及热源长度,当腔体倾斜角度大于60°时,腔体倾斜角度对腔体内纳米流体非稳态自然对流换热影响不再明显。
【图文】：

坐标系统,物理模型,局部热源,余弦规律

所得数据与相关文献值进行比对，确保了数面局部热源热流随时间按余弦规律变化，左形腔体内纳米流体的非稳态自然对流换热进体积分数、热流振荡变化的无量纲周期 p及 TiO2)对自然对流换热特性的影响。学描述理模型如图 2.1 所示，其中二维等腰三角形度为 w 的局部热源，，热源中心距离原点 o 余弦规律变化，如公式 2.1 所示，左右斜壁绝热。纯水和纳米颗粒的热物理参数如表 2.p0'' ''2q1 costq t

迭代步长,无量纲时间,独立性,网格

(a) 无量纲时间迭代步长确定 (b) 网格独立性验证图 2.2 无量纲时间迭代步长确定与网格独立性验证2.3.2 计算程序验证为了验证计算程序的准确性与可靠性，利用该程序求解文献[9]关于热源热流随时间变化条件下，方腔内 Cu-水纳米流体非稳态自然对流换热问题。通过图 2.3 的模拟结果对比，周期内热源壁面努塞尔数 Num与文献中的相应值基本吻合。随后，又利用计算程序求解文献[61]中恒定热源热流下方腔内 Cu-水纳米流体稳态自然对流换热问题，模拟结果如表 2.2 所示，通过数据的比对发现计算程序的准确性与可靠性满足要求。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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