大温差封闭腔体自然对流数值模拟

发布时间：2017-09-30 08:15

  本文关键词：大温差封闭腔体自然对流数值模拟

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【摘要】：大温差自然对流换热在实际工程中有着十分广泛的应用背景。随着微型化、高能量密度器件的发展以及对提高能源利用率的要求,使得大温差下的自然对流换热问题研究变得日益迫切。由于受到高温条件的限制,现有针对大温差自然对流的实验研究较为困难。现有研究大多基于数值模拟的方法,但是大温差下自然对流数值计算方法的选择对计算结果的精度影响较大,所以本文采用数值模拟手段对大温差下封闭腔体自然对流换热进行研究。本文采用Fluent软件进行数值模拟研究。由于在大温差下自然对流换热中流体物性随温度变化较大,采用定物性方法计算时存在较大的计算精度偏差。首先,本文采用Boussinesq近似、不可压-理想气体及密度线性差分三种密度处理方法对大温差封闭方腔进行定常数值模拟研究;同时,对于导热系数和粘性系数分别采用物性线性差分和定物性两种不同物性处理方法进行自然对流数值模拟研究。其次,本文进一步考虑形状因子的影响,对实际工程中应用较为广泛的圆柱腔体进行数值模拟研究,分析圆柱表面曲率对自然对流换热的影响。最后,本文对大温差自然对流换热的瞬态特性进行初步研究。结果表明:首先,在温差较小时(40K~200K)的自然对流中,采用Boussinesq近似方法计算所得结果与另外两种方法之间的相对偏差较小,最大偏差不超过5%,同时可以减少计算量,加速收敛;在温差较大时(200K~1000K),气体压缩性和密度变化不可忽略,采用Boussinesq近似方法计算产生的相对偏差随之增大,最偏差已达到18%,Boussinesq近似将不能精确地描述流体的流动。同时,在温差较大(?T600K)时,自然对流数值模拟需要考虑导热系数以及粘性系数随温度变化对计算的影响。此外,表面曲率是影响圆柱腔体自然对流换热的重要因素,其热壁面平均努赛特数Nuave会逐渐趋近于方腔;同时,在温差和表面曲率较大时,基于Boussinesq近似方法的预测存在较大偏差。最后,通过瞬态数值模拟研究表明自然对流换热特性随时间的依赖特性。本文通过对不同物性处理方法在封闭腔体自然对流数值模拟中的相对精度的研究,有助于在数值模拟中提供一定的参考依据,并在工程应用与实践方面具有重要意义。
【关键词】：自然对流 大温差 Boussinesq近似 表面曲率 数值模拟
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 主要符号表7-10
• 1 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 腔体自然对流换热特性研究11-14
• 1.2.2 高温差自然对流研究14-15
• 1.3 研究内容和意义15-17
• 1.3.1 研究内容15-16
• 1.3.2 研究意义16-17
• 2 理论基础17-24
• 2.1 对流换热理论17-18
• 2.2 自然对流换热18-21
• 2.2.1 自然对流换热方程19-20
• 2.2.2 层流与紊流20-21
• 2.2.3 可压流动与不可压流动21
• 2.3 数值计算方法21-24
• 2.3.1 数值研究方法21-22
• 2.3.2 数值求解方法简介22-24
• 3 方腔数值模拟方法对比分析24-42
• 3.1 数值模拟方法验证24-26
• 3.1.1 数值模拟物理模型24-25
• 3.1.2 数值求解控制方程25-26
• 3.1.3 数值求解方法26
• 3.2 数值方法验证结果分析26-29
• 3.2.1 瑞利数Ra对自然对流换热的影响26-28
• 3.2.2 温度场、流线图分析28-29
• 3.3 温差 40～1000K下不同处理方法对比29-41
• 3.3.1 不同密度处理方法的影响29-35
• 3.3.2 不同导热系数处理方法的影响35-37
• 3.3.3 不同动力粘性系数处理方法的影响37-39
• 3.3.4 物性参数处理方法对比分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 4 变曲率圆柱腔体数值模拟42-51
• 4.1 变曲率圆柱腔体数值模拟42-44
• 4.1.1 物理模型及边界条件42
• 4.1.2 控制方程42-44
• 4.2 数值结果分析44-49
• 4.2.1 表面曲率对自然对流换热的影响44-46
• 4.2.2 不同表面曲率和温差下三种密度处理方法比较46-48
• 4.2.3 温差和表面曲率对相对偏差影响48-49
• 4.3 本章小结49-51
• 5 瞬态腔体数值模拟51-58
• 5.1 控制方程51-52
• 5.2 方腔瞬态数值模拟结果分析52-55
• 5.2.1 瞬态腔体温度与速度分布52-53
• 5.2.2 温度分布的瞬态变化53-54
• 5.2.3 热壁面Nuave瞬态变化54-55
• 5.2.4 不同温差下温度随时间分布55
• 5.3 圆柱腔体瞬态数值模拟结果55-56
• 5.3.1 变曲率下Nuave分布55-56
• 5.3.2 变曲率下温度分布56
• 5.4 本章小结56-58
• 6 结论与展望58-60
• 6.1 结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-65
• 读研期间取得的研究结果65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 董韶峰,李荫堂,刘艳华;涡量—流函数法模拟不同高宽比和角度的腔内自然对流[J];低温与特气;2003年06期

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本文编号：947091