波纹形多孔介质封闭腔体中纳米流体自然对流换热数值研究

发布时间：2020-05-12 13:11

【摘要】：多孔介质中的自然对流换热广泛存在于太阳能利用、石油开采、核废料的安全存放及电路电子设备的冷却等工程应用中。由于多孔介质中基液的导热能力较弱,使得多孔介质中自然对流换热的强化受到一定限制。在基液中添加纳米颗粒可以达到强化传热的目的。近些年一些学者在多孔介质的自然对流换热中采用了纳米流体,并得到了一定的成果,但这一课题的研究相对来说较少。因此,本文采用局部热平衡(LTE)和局部非热平衡(LTNE)两种模型,数值研究了波纹壁面多孔介质腔体中纳米流体的自然对流换热,具体内容及结论如下:(1)采用Darcy-Brinkman模型和局部热平衡模型数值研究了波纹形多孔介质腔体中Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧垂直壁面中部保持恒定的高温,左侧为恒定低温波纹形壁面,右侧其余部分和上下水平壁面绝热。分析了右侧高温壁面无量纲长度C、左侧波纹面无量纲振幅b、瑞利数Ra、纳米颗粒体积分数φ、达西数Da等参数变化时对自然对流换热的影响。结果表明,局部高温壁面平均Nu数随着C的增大而减小,随着b的增大而增大,随着瑞利数Ra、达西数Da和纳米颗粒体积分数φ增大而增大。(2)采用局部热平衡模型数值研究了双侧波纹形多孔介质腔体内Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧波纹曲面为恒定高温壁面,左侧波纹曲面为恒定低温壁面,其余壁面保持绝热。流动采用Darcy-Brinkman-Forchheimer模型,分析了波纹面波纹数k、波纹面无量纲振幅b、瑞利数Ra、纳米颗粒体积分数φ、达西数Da、多孔介质孔隙率ε等参数变化时对自然对流换热的影响。结果表明,高温波纹壁面平均Nu数随着k的增大而减小。在达西数Da为10~(-2)和10~(-3)时,平均Nu数随着b的增大而减小;在达西数Da为10~(-4)和10~(-5)时,平均Nu数随b先作微小减弱,后作微小增加,并在b为0.1时达到最小。高温波纹壁面平均Nu数随着瑞利数Ra、纳米颗粒体积分数φ和达西数Da的增大而增大,随着多孔介质孔隙率ε的增加而作微弱的减小。(3)采用局部非热平衡(LTNE)模型数值研究了波纹形多孔介质腔体中Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧波纹壁面为恒定高温壁面,左侧波纹壁面为恒定低温壁面,流动采用Darcy模型。分析了波峰突起相对高度λ、无量纲容积换热系数Nhs、纳米颗粒体积分数φ对自然对流换热的影响。结果表明,高温波纹壁面平均Nu数随着波峰突起相对高度λ的增加而减小;纳米流体相的平均Nu_(nf)数随着Nhs的增大而减小,固体骨架相的平均Nu_s数随着Nhs的增大而增大;无量纲容积换热系数Nhs较小时,局部非热平衡效应影响明显;纳米颗粒体积分数φ的增加使得纳米流体相的和固体骨架相的平均Nu数均增加。
【图文】：

物理模型,玻璃球,纳米颗粒

图 2.1 物理模型所涉及的水、玻璃球以及 Cu 纳米颗粒的相关物性参表 2.1 水、玻璃球以及 Cu 纳米颗粒的热物性参数参数基液(水) 玻璃铜m-3) 997.1 2700 8933-1·K-1) 4179 840 385-1·K-1) 0.613 1.05 4001·K-1)21 0.9 1.672·s-1) 1.47 403 1163.1过程中做了以下基本假设：孔介质固体骨架是均匀分布的玻璃球；体是不可压缩且流动为层流的 Cu-水纳米流体，选用

均匀分布,高温壁面,无量纲,长度

波纹形多孔介质封闭腔体中纳米流体自然对流换热数值研究逐渐增大。流场的流线越来越扁，这是由于纳米流体受热面变长的结果，由于左侧波纹壁面的阻力较大，流场主要分布于波纹壁面右侧。从等温图中可以看出，高温壁面的平均 Nu 数随着其无量纲长度的增大而逐渐减小，这是因为随着高温壁面长度的增加，温度边界层由集中分布向均匀分布发展，沿高温壁面的平均 Nu数随着长度增加略微减小。由于热浮升力作用，等温图呈现出右上方温度高，，左下方温度低的分布。平均温度等温线逐渐从腔体右上方向腔体中央移动。maxΨ =3.13maxΨ =3.32maxΨ =3.47maxΨ =3.61maxΨ =3.72
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124

【参考文献】