固定颗粒对方腔自然对流影响直接数值模拟地研究

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1、摘要包含颗粒的传热流动在自然界和各种工业领域普遍存在，但对其内部的复杂流动和传热特性研究并不充分。本文采用基于虚拟区域方法的直接数值模拟，对两种包含固定颗粒的方腔自然对流进行了研究。对多孔介质方腔自然对流，采用在流场中布置颗粒模拟多孔介质结构，通过直接数值模拟研究了颗粒数目、布置方式和形状对于传热特性的影响。研究发现，在高Ra数下，多孔介质方腔自然对流中传热主要是通过壁面附近热对流产生的环流。竖直壁面附近存在高速流动区，其流速随着Ra数增大而增大，宽度随之减小。当保持Ra数和固体体积分数不变时，随着模拟多孔介质的颗粒数目的增加，壁面平均Nu数随之减小，即传热效率降低，进一步的流场分析表明规

2、则排列时最外排颗粒到壁面距离对于传热效率有很重要的影响；当固体颗粒数目和体积分数相同时，颗粒随机布置在高Ra数时比颗粒规则布置自’更高的传热效率，而颗粒形状对于传热效率的影响则不大。对于RayIeigh．Benard对流，主要研究了其巾的大涡自发翻转问题。无颗粒时涡的翻转周期随Ra数增加为指数增长，且翻转现象只发生在一定的Ra数和Pr数范围内。流场中心增加颗粒后，翻转周期变短，并随Ra数增加成线性增长，且翻转更加有规律：颗粒半径增大周期减小；保持x=0．5不变，改变颗粒位置，翻转周期在中心点最大，增大或减小Y周期均减小，且为对称分布。对角上布置两个颗粒可以阻止涡翻转发生，颗粒位置需布置在角

3、涡两顶角处。关键词：直接力虚拟区域方法，方腔自然对流，多孔介质，流动翻转AbstractThephenomenonofparticIenowwithheattransferiscommoninnatureandvariousinduStIyfields．However，studiesonthiscomplexintemalflowanditsheattransfercharacteristics御．estillinsufhcient．Inmispaper’theproblemofnaturalconvectioninsquarecavityw“hfixedparticles、vasdire

4、ctsimulatedbasedonthefictitiousdomainmethodandtwocaseswithdi疗eremboundarvconditions、vereinVestigated．Fortheproblemofnatl】ralconvectioninporouSmedium，thest】．uctureofporousmediawaSapproximatedbydistributingsolidparticlesinthecavi锣．Theinnuencesoftheparticles’n啪ber'distributingpanemandpanicleshapeonth

5、eheattransferoftheintemalnow、Ⅳereallalvzed．Theresultsrevealthat’withahighRayleighnumber，theheatofnanlralconvectionismainlvtransfbrredbvthecircumfluencewhichisinducedbytheheatconvectionaroundtheboundary．Thereisahigh．speednowareaneartlleverticalwalls．Itsveloci“increaseswiththeIhnumber’whilethewidcho

6、fmisareadecreases、^，imtheRanumber．WhentheRanumberandmesolidvolume行actionarekeptconstant，themeanNusseltnumberofmeboundarydecreaSeswithmeincreaseofthepaniclesnumberinthepanicleregulardistributingcaSes，whichindicartest11edecreaseoftheheattransf．erefjFiciencv．FuIrtheranalvsisonthenowfieldsshowsthatthe

7、e行．ectsofthedis啪cebetweentheoutemostrowofpaniclesandmeverticalboundalVontheheattransferefnciency踟．esignificant．Fortherandompanicledistributingcases，theheattransfere衢ciencyishigherthanthatoftheregularparticledistr