介电液体电热对流的介观格子-Boltzmann模拟

发布时间：2020-04-01 01:24

【摘要】：电(热)对流是电流体动力学的基础研究课题之一,隶属传热学、流体力学、电动力学等多学科交叉领域。基于电场的主动流动控制及强化传热技术因其独特优势(无需机械运动部件、低噪声、快速响应和低能耗等)而受到广泛关注。然而电场驱动传热传质技术的理论基础--电热流体动力学现象的机理研究却相对滞后。该研究的核心难点在于:(1)多物理场(包括电场、流场、温度场、电荷分布场)的强烈非线性耦合(2)多学科交叉(包括流体力学、传热学、电磁学、电化学)。正是由于其本身的复杂性,电热对流问题的理论分析、实验和数值研究都相对匮乏,这极大地阻碍了电场驱动传热传质技术的发展和应用。目前阶段,关于此问题的理论研究重点关注简单几何电极结构系统(如双平行平板、同心圆柱、针-板结构等)的线性稳定性分析,绝大部分数值结果是基于传统的求解宏观控制方程组的方法(如有限体积法和有限单元法)。特别指出的是,国内关于电对流和电热对流的研究工作不多,且集中在电场强化换热的实验研究,对相关机理的探索较少。本文采用介观格子-Boltzmann方法(LBM)求解电热对流问题。作为一种介观演化方法,LBM非常适合于求解电(热)对流的瞬态多场耦合输运过程,能够较好地还原耦合过程中的物理震荡以及消除非物理震荡,捕捉瞬态对流过程中的线性和非线性稳定临界点。首先,通过理论分析完成格子-Boltzmann模型的构建;然后,基于分离结合机制开展二维电对流数值计算并逐渐过渡到单极注入机制下的三维电热对流,绘制三维中性稳定曲线。具体内容如下:根据空间维度,采用D2Q9或D3Q17速度离散格式构建电荷分布场,电势场,流场和温度场的格子Boltzmann模型;采用分离结合机制,基于平行平板-圆环模型开展数值模拟工作,研究了电瑞利数T、解离速率常数W0、无量纲迁移率M以及径宽比2R/L等参数的影响,此外,对二维圆方腔内自然对流也进行了数值模拟;再者,模拟耦合温差浮升力和电势差库仑力,分别从电瑞利数T、瑞利数Ra、无量纲迁移率M、无量纲电荷扩散率以及普朗特数Pr等多个控制参数研究其对三维电热对流的影响,给出分析和强化传质换热的具体措施,采用线性稳定性分析法绘制三维中性稳定曲线。
【图文】：

电对流

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文合机制在二维电对流数值模拟中略有描述；其次，至于电热对关物理场的控制方程和所对应 LBE 的构建将分别就流场、热主要分单一电场库仑力驱动的纯电对流和耦合电场库仑力和的电热对流两个主要研究内容。前者，纯电对流的研究结enard 对流（RB 对流）颇为相似，如图 1-1 左所示为 RB 对流似蜂窝的实验结果图展示出电对流和 RB 对流具有相似的正对流由热场温度差产生的浮升力驱动形成，通过实验观察能状结构而成为经典问题。但囿于强烈非线性问题至今未能构建体系，，数值模拟技术的发展也未能及时得以突破，有效复现出到的六边形流动结构仍然成为当今电流体力学研究领域内一大后者，耦合传热过程的电对流即电热对流问题，虽然基于纯电热场，但研究内容相比较而言更为复杂，由此生发一系列电对流析与思考，将在后续内容中逐渐呈现。

全文,总体框架,主要内容,电对流

从二维平面升级为三维空间，不再对电对流模拟工作并形成一份较为全面的求解电热对流电流体力学的基础理论，给出介电液体中自由流体力学问题中多物理场控制方程组并构建推导控制参数具体的无量纲数学表达式，详义。维平行平板-圆环为计算模型，基于格子 Bol离速率常数 W0以及不同 R/L 比值对电对流流出强化流动的具体分析；再以方腔-圆柱为计的影响。维长方体为计算模型，在外加电场产生的库仑研究电瑞利数，瑞利数，无量纲电荷迁移率要体现在流场形态、强度，电荷密度场分布措施。在既有的二维稳定性曲线基础之上，热对流中性稳定曲线。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O361.4

【参考文献】