受热垂直圆管内的自然对流

发布时间：2020-08-03 08:09

【摘要】：垂直圆管作为换热介质的载体已被广泛地应用于工业界中的换热设备中。例如,太阳能发电站能量接收装置的换热载体之一就是垂直圆管;当汇集的太阳辐射作用在圆管壁面上时,可产生壁面与管内流体的热量交换,而受热流体可发生自然对流流动,且流体流动会把获得的热量带走。由于垂直圆管内这种对流和换热的广泛存在,开展相应的研究有其重要的基础研究价值和工程实践意义。本文采用尺度分析方法研究了垂直圆管内自然对流的动力和传热机制。考虑了两种加热方式,分别为等温加热和等热通量加热。通过尺度分析,分别得到了两种加热条件下定常和非定常状态热边界层厚度和速度的尺度关系式,以及等温加热条件下体积流率和努塞尔数的尺度关系式。本文也利用直接数值模拟结果研究了圆管内流体的温度和流动结构。主要考虑了瑞利数和圆管无量纲曲率的影响。首先,利用数值模拟结果对获得的尺度关系式进行了验证,理论分析结果与数值结果是符合的。其次,基于数值结果,观察分析了圆管内的流动和传热:当无量纲曲率为1且瑞利数为102时,传热由导热控制,没有清晰的热边界层,流体呈垂直分层结构:当瑞利数达到106时,由于对流的增强,靠近圆管出口会出现回流结构;当无量纲曲率进一步增大时,涡结构会向下游移动并增大,且对称性会破坏,传热受到抑制。本文虽然对不同无量纲参数下的垂直圆管内的自然对流流动和传热进行了分析,得到了主要流动特征与主要控制参数之间的定量关系,且已得到数值结果的检验,但进一步的深入分析以及相应的实验验证也是未来亟待完成的工作。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK172
【图文】：

示意图,垂直圆管,自然对流,示意图

２．１模型简介及分析方法逡逑垂直圆管壁面突然均匀加热，可导致圆管内壁面附近的流体受热，密度变小，逡逑形成一个热流体薄层，即热边界层，如图２－１所示。热边界层内流体的密度小于环逡逑境流体密度，从而可产生浮力效应。浮力可进一步驱使圆管内壁面附近的流体流逡逑动，即形成所谓的自然对流流动，图２－１显示了热边界层自然对流的方向。该自然逡逑对流流动可显著提高圆管内的传热效率［Ｍ。逡逑卜Ｍ逡逑逦丁逡逑１＝＞逦Ｖ逦Ｖ逦＜Ｊ＝＝｜逡逑ｈｅａｔｉｎｇ逦ｖ逦ｖ逦ｈｅａｔｉｎｇ逡逑■＝＞邋｜逦ｔ邋＜＝＞邋＾逡逑Ｖ逦Ｖ逡逑图２－１突然加热垂直圆管内自然对流的示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎａｔｕｒａｌ邋ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ邋ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｂｙ邋ａ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｃｉｒｃｕｌａｒ邋ｔｕｂｅ逡逑ｗａｌｌ邋ｓｕｄｄｅｎｌｙ邋ｈｅａｔｅｄ逡逑自然对流通常为低速流。低速流的控制方程由连续性方程、考虑Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ逡逑假设的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和能量方程组成，如式（２－１）到（２－４）所示。需要注意逡逑的是，由于模型为圆柱体，这里采用了柱坐标系，切向的传热传质忽略不计，而逡逑能量方程中粘性耗散生热项忽略不计。逡逑１１逡逑

示意图,示意图,垂直圆管,热边界层

加热条件一致，那么认为在流动发展初期，前述的垂直圆管和垂直平面壁传热传逡逑质效率也应当一致。基于这个假设，进一步认为垂直圆管壁面附近的热边界层体逡逑积与垂直平面壁附近的热边界层体积数值上大致相等，如图２－２示意：逡逑逦邋２ｎＲ逦￣卜逦￣逡逑，邋Ｉ邋Ｉ逡逑Ｑ：．．．：：？．．．』逡逑Ｔ逦２ｎＲ逡逑图２－２传热等效示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｗｏ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｈｅａｔｅｄ邋ｗａｌｌｓ逡逑基于上述等量关系，则有：逡逑２７ｔＲｈＳＴｐ邋＝邋ｆｍＲ２邋—邋ｈ７ｔｉＲ邋—邋Ｓｒ｝２逦（２－１０）逡逑变形得：逦逦逡逑ＳＴ邋＝邋ｉ？（ｌ邋—邋ｙｊｌ—２ＳＴｐ邋／邋Ｒ）逦（２－１１）逡逑将式（２－９）邋（２－８）代入到（２－１１），可得自然对流发展初期垂直圆管壁面附近逡逑热边界层厚度的尺度关系式：逡逑ＳＴ邋￣邋Ｋ＼－Ｖｌ－２ＡＫｌ，２ｔＶ２邋／ｈ）／Ａ逦（２－１２）逡逑然而，热边界层内流体由浮力驱动，因此首先动量方程（２－３）等号右侧浮力逡逑项（ｇ如Ｄ保留。黏性项（ｖｗ＿＿／岑＋ｖｗｚ／ｉ＾＋ｖｗ＿＿／／ｚ２）中，第二项与第一项之比为逡逑Ｑ－小－２ＡｋｕＹ／２／Ｒ），第三项与第一项之比为。当时间／很小时，以上所得两个比逡逑值均远小于１

数值解,等温加热,定常

图２－３等温加热条件下定常时间＾的数值解逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｃａｓｅ邋ｏｆ邋ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｅａｔｉｎｇ逡逑

【参考文献】