倾斜加热腔体内对流结构研究

发布时间：2020-04-08 08:50

【摘要】：对流从被人发现到研究至今,我们自然生活中出现最多的还是热对流,这些对流现象随处可见,小到日常生活中的水壶烧水时产生的对流,大到空气中的大气环流。对流对我们来说不仅仅只是自然现象,我们还利用对流来改善和方便我们的生活,例如电子设备的散热、楼房中的绝热和太阳能的集热装置等,对流在我们的生活中无处不在。由于对流现象出现的广泛性、效用性及趣味性,科研人员对对流的研究向更深更广的方向前进着。倾斜加热腔体模型就是在传统水平矩形对流腔体的基础上施加倾斜角度,使其成为一个新的对流模型并且用这新模型来研究对流的结构及其力学特性。本文主要是运用Fluent软件,对三种Pr数不同的流体(Pr=6.99,Pr=0.72,Pr=0.0272)进行数值模拟研究。通过研究三种流体的普朗特数、加热模式(下壁面均匀加热、下壁面周期性加热、下壁面局部加热)、矩形腔体的倾斜角度对流体运动的影响,可以得到以下的结论:(1)下壁面均匀加热模式下:倾斜角度较小的条件下,温度场是具有周期性的类似于正弦函数的弯曲曲线,速度矢量图体现了流体的顺时针或逆时针的交替流动,流线图是由多圈组成的斑图,发现Pr数越小,形成的流线图中的对流圈越少,波数越小;倾斜角度较大的条件下,发现Pr数不同,流体所形成的对流结构之间差异较大。(2)下壁面周期性加热模式下:倾斜角度较小的条件下,以加热周期内的温度场为单位,温度场由褶皱状层叠的弯曲曲线组成,速度矢量图体现了流体的顺时针或逆时针的交替流动,流速较小处,流线图无法显示对流圈,不同Pr数每个加热周期内的对流圈个数不同,流线图的周期性也不同;倾斜角度较大的条件下,Pr=6.99、0.72两种流体的对流结构较为相似。(3)下壁面局部加热模式下:倾斜角度较小的条件下,温度场都是由褶皱状层叠的弯曲曲线组成,以加热段内的温度场为单位,具有周期性,流线图在加热段内是由多圈组成的斑图,恒温段内的流体产生微弱流动但在流线图中没有显示;倾斜角度较大的条件下,在加热段内,温度场曲线较为平滑且只有一个上升下降的变化,流线图为一个封闭完整的对流圈,不同Pr数速度矢量图差异较大。(4)倾斜角度和普朗特数对对流特性的影响:流体主要出现多圈、局部单圈和单圈三种对流斑图;通过将最大流速无量纲化后的最大振幅,间接分析最大流速和努塞尔数随控制参数的增大而发生的变化。
【图文】：

模型图,倾斜腔,模型图

图 1-1 倾斜腔体的模型图Fig.1-1 The model of inclination cavity 1-1 为矩形倾斜的封闭腔体，里面充满了流体。给上下表面之间一个温度流体就会有对流运动出现。一般情况下，我们用 Fluent 软件在 Boussines运动进行模拟，观察其运动状态。通常为了描述倾斜腔体下加热的对流问方程组来表示： 0 ywxu（ sin()0222202gTTyuxuxpyuwxutueff cos()0222202gTTywxwypywxuwtweff 2222()yTxTywTxuTtT

流线图,Nu数,流线图,瑞利数

斜腔体的上下壁面的温度恒定不变， y 0时， T T0.5ΔT0 （ y d时， T T0.5ΔT0 （中， T为上下壁面温度差，数值的大小有相对瑞利数 r 控制；初始温度取293.15K。朗特数 Pr=6.99 的对流特性流线图的变化过程 2-1 为相对瑞利数 r 3，倾斜角度为 89°条件下，分析下壁面Nu 数随时间可以看出，，Nu 数在 0 t 2s 这一期间急剧减小，然后呈现缓慢减小的趋16s 到达最低点，再呈现缓慢上升的趋势，一直到 t 80s 之后，Nu 数不再此时说明对流趋于稳定，所形成的流线图不再变化，这时形成的流线图可倾角为 89°条件下的最终结果。从图中也可以看出，对流整个变化的过程 2s，其余时间就变化的非常缓慢，到最后甚至不再发生改变，这说明在这流反应是比较温和的。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O35

【参考文献】