封闭方腔自然对流传热的场协同分析-论文.pdf

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1、第29卷第4期齐鲁师范学院学报Vol_29No．42014年8月JournalofQiluNormalUniversityAug．2014封闭方腔自然对流传热的场协同分析云和明张华伟邱卫国(1．山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2．山东艺术学院后勤管理处，山东济南250014)摘要：文章采用有限元方法数值研究了封闭方腔自然对流传热问题，并基于场协同理论分析了速度场与温度梯度场的协同关系，进一步深层次分析了协同角场同速度场、温度场、温度梯度场之间的协同关系，展示了不同瑞利数下方腔自然对流速度场和温度梯度的协同效果，着重探讨了各物理场对封闭方腔协同角的影响

2、规律，同时表明以协同角为评价指标，可有助于改善局部的传热效果，从而深层次理解强化自然对流传热的机理，为实际工程的传热强化提供了理论依据。关键词：自然对流；场协同；温度梯度中图分类号：TK124文献标识码：A文章编号：2095—4735(2014)04—0106—071引言关系也适合湍流换热的场合。封闭空腔内的自然对流换热问题是计算传热2数学模型学里的经典问题，其所描述的现象在很多工程实践中经常遇到，因此精确分析各种条件下封闭空腔内的自然对流换热效果极具实用和研究意义。自然对流是作用在密度梯度上的体积力引起的一种浮力诱导流动，而密度梯度则因流体的质量浓度梯度与温度梯度

3、或者二者之一所导致n】。为揭示能量传递过程中强化传热机理，清华大学过增元等[21从能量方程着手，提出了强化传热的场协同理论，认为对流换热性能主要取决于I．卜一￡———流体速度场与热流场之间的协同，在相同速度和图1方腔自然对流计算模型温度边界条件下，它们间的协同程度越好，换热图1为一方腔内的自然对流换热模型，方腔强度相应越高。文献【2—8】的数值模拟和实验验的特征长度为L，右边界为恒定高温Th，左边界证表明：场协同理论对强化传热表面和换热单元为恒定低温rI’l，上下边界为绝热。针对封闭方腔的设计具有重要指导意义。此外，文献【9～12】中内自然对流换热进行数值计算时，对

4、于因温差而的数值模拟结果表明：场协同原理所表达的协同引起的浮升力项采用Boussinesq假设[2】。该假设收稿日期：2014--05—22基金项目：山东省自然基金(ZR2010EM06)，山东建筑大学博士基金(No．824008)。作者简介：云和明(1976一)，男，山东滨州人，副教授，博士研究生。总第164期齐鲁师范学院学报主要包括：(1)流体中的粘性耗散项忽略不计；将以上无量纲量代人上述控制方程和边界条(2)除密度外的其它热物性参数均设定为常数；件经过推导得到如下无量纲方程组成的微分方程(3)流体密度仅考虑动量方程中与体积力相关项，组，如式(4)所示。其余各项

5、中流体的密度均作常数处理。计算过程+：0中以较低温度作为运行参考温度，则重力项中的OXOY密度可表示如下：a(vv)+：02U02UOP——一+⋯=IIP=P，[1一a(r一)](1)xOYOXOYax0o(vv)+o(vv)：++∞(4)式中：Pt为温度时流体的密度，为流—一一aX8YOXY‘Y体的体积膨胀系数。o(uo)．a(vo)一1fa。ao1采用上述假设进行数学建模，则稳态自然对‘ayPr【￡。。ayJ流的控制微分方程组如下：相应的边界条件为：v)：0X=0，U=V=0，O=0·)-v．(／2grad)一X=1，U=V=0，0=1·cD)一v．)一罢一(2

6、)⋯，=⋯，=o=V=毒，，嚣U』=o式中：／／,为流体x方向的分速度矢量，m／s；根据所得无量纲控制方程可看出自然对流T为温度，K；P为压力，Pa；．／2为流体动力粘度，问题仅受格拉晓夫数和普朗特数的影响。kg／(m．s)；为流体的导热系数，W／(m．K)；cp3求解方法及数值验证为流体的定压比热，J／(kg．K)。基于有限元计算方法，采用Galerkin方法如图1所示自然对流的问题的温度、速度边对自然对流的连续方程、动量方程和能量方程界条件为：进行数值离散和计算。根据边界条件特点，采x=0，U=1，=0，用非结构自适应网格求解，在方腔中(L=I)，=L，U=1，

7、=0，边界处的网格为0．002，而远离边界，网格尺度Y：0，==0，逐渐增大，其比例为1．2。为验证本文数值模拟(3)方案的正确和可行性，采用经典文献算例对本Y=L，==0，文采用的模型和计算方法对比，结果吻合良好，从而验证本文所采用的模型和方法准确可行。1．对于上下壁面绝热，左侧为高温，右侧为便于结果分析，将控制方程和边界条件无为低温条件下与经典文献计算结果的比较详见量纲化，采用如下无量纲量对方程进行化简。表1。y：，U：．plLuV：—plLv：———o：二互，，，2．对于上壁面绝热，左、右侧为低温，下LLih—it壁面为高温条件下与文献[1解的结果比较详见