含体积热源方腔的耦合自然对流换热数值模拟

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1、第6卷第3期热科学与技术Vol.6No.32007年9月JournalofThermalScienceandTechnologySep.2007文章编号:1671-8097(2007)03-0219-05含体积热源方腔的相合自然对流换热数值模拟占凡毛r/i义7己(南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京210009)摘要:对具有内热源方腔的稳态层流祸合自然对流换热进行了三维的数值模拟，采用的模拟代码基于连续介质计算力学的开源库OpenFoam，解决了自然对流换热与固体传热的祸合问题。对外壁面为常温、方腔内充

2、5满合体积热源流体的自然对流计算结果表明，温度场、速度场与非糯合的工况有很大差异。Ra的变化从10到910。关键词:自然对流;辑合传热;数值模拟中图分类号:TK16文献标识码:Aojl1建模空腔内的自然对流换热过程是一种常见的物物理模型见图1。方腔边长为D、壁厚为W，理过程。大气科学、宇航科学、建筑设计、燃烧设计方腔有内热源qv，壁的外表面温度保持不变为如炉膛的计算以及太阳能利用工程等领域，都涉Tw。方腔内为稳态层流，不考虑辐射。同时密度使及到空腔内的自然对流换热。其中内含热源空腔用Boussinesq近似，其

3、他物性参量为常数。模型可的自然对流换热是一种比较复杂的过程，已有很分为流体区和固体区，并且假定流体区仅为自然多文章做了讨论，例如Man等研究了带内热源空对流，固体区仅为热传导。腔内的自然对流换热山，Manab等研究了倾斜角固体度的影响阳，Zhao等讨论了同时存在内外热源的z问题[巧，Dong等探讨了几何形状对自然对流的影响[飞Polat等研究了一侧开口的自然对流情形阳，Sharif分析了壁面运动对自然对流的影响[吨。但是这些讨论都是建立在二维基础之上的，有的还忽略固体壁面的影响，或者很少考虑到在x实际应用中涉及

4、到的流体与固体间的传热搞合作图1系统示意图用。Liaqat等m的讨论考虑了带内热源的空腔中Fig.1Schematicdiagramofphysicalsituation的层流自然对流过程与壁面的传热搞合。但是这种讨论还是立足于二维，其结果对工程应用和实1.1控制方程践缺少指导意义。流体区:本文利用由英国帝国大学的研究小组开发的友J.av.aw一十一+一aX'ay'az7=0(1)连续介质计算力学的类库OpenFoam，在三维基友I友I友l友Jap础上对自然对流与固壁的搞合传热问题进一步讨一+U一+V一十W一=

5、一一+ar'~ax"ay'''azax'论，希望能得到更具实践意义的结果。万立市l2U(2)CRaPr)215收稿日期2007-04-13;修回日期:2007-05-19.作者简介z殷亮0978λ男，硕士，助教.主要研究方向为工程热物理、数值计算.220热科学与技术第6卷av.~.av~~av....avap一十dr'~aX"aY"'azU一十V一+W一=一-十aYNuo=扣1λN川灿Tu均4句l仇Uνla俨aν卢a=fdAP乌π~;72V(3)(RaPr)2/5aw,~.aw,~~J研1,...awap定义

6、导热系数比:K=言，热扩散系数比:A--十U一一+v一-十W一一=一一十aX"az'''azazasP乌冗~;72W(4)af(RaPr)Z!5搞合方程组的解取决于5个元量纲的量，它éi).~.éi},~.éi}础。，.一十U一十V一十w;-:,=(RaPr)Z!5''N)+们分别是Ra，Pr，W/D，K和A。本文取Pr=dr'~aX"ay'''az7.0(水)、W/D=0.05(不变)，讨论Ra值从105(RaPr)一1/5(5)9至10的情形。并根据不同的K和A值讨论了3种固体区:M-k仇一向l-P情况，

7、见表1。算例3为非搞合工况，算例2的K和一Vnσpo-PA-G-rA值比算例l大得多，从而让它们相互形成对比。方程的无量纲化用到的元量纲参数为表13种算例的安排(x,.y,z)Tab.lThreecasesanalysedforconjugateproblem(X,Y,Z)=一首一工况KA特征(u(U，V，ω),v,w)=川流体和固体的热传导、热扩散相同(ar/D)CRaPr)2/522124流体是水、固体是不锈钢T-Twafθ=丁Tτ=FRapr)2/53不考虑固体的非搞合情况kT飞咱T飞2p=-^.l'.L

8、../...1,../::"T=__'1~parCRaPr)4/5'是f(RaPr)1/52.2数值计算算法g卢qvD51)求解流体区域。以Dirichlet边界条件处理G一一-一一Pr=...:::...(7)kfafVaf流体与固体的边界，方程组求解采用PISO算法，式中:U，V、τu为x，y、z方向的速度;as、af为固体先求解压力和速度方程，而后求解温度方程。和流体的热扩散系数