不同热源位置下室内自然对流换热数值模拟

以不同热源位置下室内自然对流换热过程为研究对象,采用有限容积数值方法对质量守恒方程、能量守恒方程进行离散求解,研究了瑞利数Ra在103～106之间,不同热源位置情况下,室内的流体流线、等温线的分布特征和Nu数的变化。分析结果表明:Ra=103时,等温线以热源为中心向外扩散呈均匀拱形,随着Ra数的增加,等温线逐渐弯曲变形,在冷壁和热壁附近形成薄边界层;流线呈现为两个反向对称的涡,随着Ra的增大,涡的大小改变并发生运动;Ra=103时,D=0情况下的Nu最大;热源的位置对换热量的影响较大,D=0.5时,Nu数曲线最陡,D=0时最平缓;Nu数与Ra数呈幂数关系,拟合的线性相关性可达90%。结论为研究室内复杂传热机理提供理论依据。     

内置高温体倾斜多孔腔体中自然对流的LBM模拟

为了研究内置高温体倾斜多孔腔体中流体流动与传热机理,本文采用格子Boltzmann方法从介观尺度对其多孔腔体内自然对流现象进行了模拟研究,讨论了孔隙度ε(0.4,0.7,1.0)、Da数(10~(-4),10~(-2))、Ra数(10~5~10~7)及倾角θ(0°~90°)等参数对其对流传热的影响。模拟结果表明:等温线会随着腔体倾斜向底部偏移;Da=10~(-4)时,流线呈现对称分布特性,Da数增大时,多孔方腔右侧流线会绕过高温方块经过左边区域,流线分布发生偏移。热壁面上平均Nusselt数Nuave随倾角增大呈现特定变化规律,增大孔隙度ε、Da数、Ra数时,均可以增强流体与热壁面之间的自然对流传热能力。     

双开口室内热压自然对流模拟及热源分析

以不同热源位置下的单侧双开口室内热压自然对流换热过程为研究对象,采用FVM方法对质量守恒方程、能量守恒方程进行离散求解,研究不同热瑞利数Ra(Ra=103~106)和不同热源位置的情况下,室内流体流线、等温线分布特征以及平均努赛尔数Nuav的变化。研究结果表明:随着Ra的增大,室内空气对流强度增大,对流热交换效果明显;在高Ra下,随着热源到左墙面距离与地面长度比D的增大,室内出现的漩涡增多;D=0.25时,Nuav在不同的Ra下均为最大值,热源的位置对换热量的影响较大;在同一Ra下,随着D的增大,室内对流换热效果越差;在不同D下,Nuav是以Ra为自变量的幂指数函数,拟合后其线性相关性可达96.2%。     

倾斜板上热质反向扩散的数值分析

用数值方法研究了倾斜板上热及物质扩散共存且扩散方向相反时的流体流动及传热传质,得到了速度、流线、温度和浓度分布以及传热传质速率随倾斜角度和浮力比的变化规律。研究结果表明:流体速度、努塞尔数Nu和修伍德数Sh均随倾斜角度的增加而增大,当θ>60°时,倾斜角度的变化对传热传质的影响减小,Nu和Sh数的变化趋于平缓。倾斜角度相同时,Nu和Sh随浮力比|B|的增大而增大。     

局部加热竖直套管内多孔介质中的自然对流

对内壁面局部恒温加热，外壁面恒温冷却，其它壁面保持绝热条件下的竖直同心套管内多孔介质中的自然对流进行了数值研究，分析了瑞利数Ra、半径比k及高宽比A对流场和温度场、内外壁面局部努塞尔数和加热段的平均努塞尔数的影响。研究结果表明：Ra及k对速度和温度的分布影响显著，随着Ra和k的增加，环流中心向上部和外壁面偏移，上部流速度远大于下部。内壁面加热段局部努塞尔数沿Z方向降低，但随k的增加而增加；外壁面的局部努塞尔数变化与内壁面相反。加热段平均努塞尔数Nui随砌及k的增加而增加，根据计算结果得到了平均努塞尔数与瑞利数的关联式Nui=mRa^n。     

基于孔隙尺度的多孔骨架对固液相变的影响

相变储能材料中加入多孔介质骨架,可以有效地改善相变材料导热系数,增强其结构稳定性,防止相变材料泄漏,促进相变材料在电池热管理、太阳能发电等众多领域的应用。文章采用四参数法生成随机多孔介质骨架,并导入到固液相变两区域模型中,基于格子玻尔兹曼方法,从孔隙尺度分析了无量纲瑞利数(Ra数)、普朗特数(Pr数)、斯蒂芬数(Ste数)对方腔内填充多孔介质骨架固液相变融化传热的变化规律。结果表明:在相变期间传热方式由导热为主向自然对流传热改变,糊状区逐渐发生弯曲; Ra数越大自然对流越强,在达到准稳态阶段时融化率和热壁面平均Nu数都越大; Ste数越小,热壁面平均Nu数越大,相变材料融化速率越慢;在低Pr数(Pr0.1)下,随着Pr数的增加,相变材料的融化速度逐渐增加,但Pr数增加到一定程度(Pr=0.1),继续增加Pr数,当达到准稳态阶段时,相变材料融化率不再发生变化。     

内螺纹肋管几何参数对流动与传热的影响

以空气(Pr=0.744)为介质,在Re=2 000时,对17根内螺纹肋管进行了数值模拟,研究内螺纹肋管的流动与传热特性.在梯形肋几何参数肋高H =0.02～0.06,肋数N=35～50条,螺旋角γ=35°～45°时,分析肋高、肋数、螺旋角的变化对Nu和f的影响,得出Nu和f随N、H增大而增大,随γ增大,Nu和f先增大再减小,Nu在γ=41°达到最大值,f在γ=39°达到最大值.研究表明,最佳肋参数为0.50/40/41.     

两种组合涡发生器强化螺旋通道换热性能的比较

采用CFD模拟方法比较两种组合涡发生器强化大高宽比矩形水平螺旋通道的换热特性,并进一步分析B形翼的无量纲间距δ'、无量纲长度l"对螺旋通道内流体流动和换热的影响,利用综合因子G表征了两组合涡发生器的综合强化效果.结果表明:A形翼与B形翼均能改善柱后流体的流动,可分别在柱后等距横截面上形成二次流的四涡结构和六涡结构,并可在定距柱后形成纵向涡,加速尾迹区与主流流体的混合,实现了强化传热; B形翼与A形翼组合涡发生器相比,B形翼的综合强化效果更好;在所研究范围内,δ'增大,B形翼涡发生器的强化换热能力逐渐减小,综合性能变差; l'越大,内置B形翼组合涡发生器的螺旋通道的Nu数和f越大,但Nu数和f的增速随l'值的变大而变缓,当l'=1. 0时该螺旋流道的综合强化性能最优.     

浮力对竖直管内热进口段空气对流换热的影响

用数值解析方法对竖直圆管内热进口段空气对流传热时,浮力引起的自然对流以对传热和流动的影响进行了研究,得到了浮力与主流同向和反向两种场合下的速度、流线、壁面剪切应力及努塞尔特数的分布,并在Pe-│Gr/Re│坐标系中给出了因浮力产生的逆向回流区域。研究结果显示：在加热即浮力在与主流同向时,壁面剪切应力和努塞尔特数随Gr/Re的增大而增大,在较高Gr/Re下和中心出现逆流,对象传热系数在出现逆流处达到局部最大值,传热得到强化;冷却即浮力与主流反向时,壁面剪切应力和努塞尔特数随│Gr/Re│的增大而减小,│Gr/Re│较高时管壁处出现逆流,传热系数则在逆流区后端出现极小值,传热减弱。     

太阳能烟囱通风特性及其强化

数值研究了热压自然通风作用下太阳能烟囱的回流特性,采用流线和热线实现烟囱内空气流动和热量传递的可视化,并探讨了玻璃侧离散热源空间位置和热源尺寸等因素对回流过程的影响.当吸热壁面热源强度即热瑞利数Rayleigh(Ra)超过104,烟囱出口处开始出现回流;随着Ra数增大,烟囱回流穿透深度增加.分析表明,左侧热源个数及高度分别为N=1、D_0=1时,其与底部距离S_0以1的步长向上移动,均能有效地避免出口处的回流,其中S_0=0诱导的无因次体积流量最大.而在热源高度D_0=D_1=0.5、N=2、S_0=0时,在与D_0的距离S_1与N=1中S_0(S_00)的值相等时,N=2诱导的空气量均大于N=1时诱导的空气量.该研究将有利于提升未来低能耗建筑自然通风的利用效率.     

基于流固耦合的涡轮叶顶喷气冷却特性研究

高温燃气在涡轮动叶叶顶产生的泄漏流不但降低了涡轮效率,更是加剧了叶顶的热负荷. 本文基于实验模型,采用流固耦合的数值计算方法,研究了涡轮凹槽叶顶的间隙流与冷却射流相互作用的流动机理以及顶部喷气冷却对凹槽壁面换热效果的影响,重点分析了吹风比、冷却孔倾斜角、冷却孔进气角以及固体材料导热系数对壁面Nu数的影响. 结果表明: 大吹风比（M=1.5）能有效改善凹槽近压力面一侧肋条及底部的换热,Nu数分布更加均匀；进气角产生的“喷射效应”改变了冷却气流高速区的出口相对位置,当进气角大于0°时,冷却气体能有效阻隔高温流体使壁面Nu数降低；低导热系数材料降低了气流对固体壁面的对流换热,使得壁面的对流换热更加均匀.      

冷却管结构及风速对空冷中冷器性能的影响

本文在实验基础上,使用计算流体动力学方法研究了不同空冷中冷器冷却管前缘结构及风速对其冷侧热工水力性能的影响。研究发现,冷却管前缘半径R_1相同时,Fanning摩擦因子f随风速的增加而减小,而相同风速不同R_1时,f同样随R_1的增加而减小,在以R_1=0.9 mm为基准时,R_1=0 mm的f因子值最大增加12.42%,R_1=3.6 mm的f因子值最大减小5.41%;冷却管前缘半径R_1相同时,努赛尔数Nu随风速的增加而增大,相同风速不同R_1时,Nu同样随R_1的增大而减小,在以R_1=0.9 mm为基准时,R_1=0 mm的Nu最大增加2.22%,而R_1=3.6 mm的Nu最大减小1.49%;对于性能评价准则PEC,冷却管前缘半径R_1相同时,PEC随风速的增加而增大,而相同风速不同R_1时,PEC随R_1的增大而增大,在以R_1=0.9 mm为基准时,R_1=0mm的PEC值最大降低10.13%,R_1=3.6 mm的PEC最大增加3.40%。综上,在R_1=3.6 mm、冷侧风速为7.5 m/s时,空冷中冷器冷侧热工水力性能最佳,因此增大R_1及风速有助于空冷中冷器冷侧热工水力性能的改善。     

多孔泡沫金属换热器内流体的流动和传热分析

对管间填充多孔泡沫金属的方形管壳式换热器内流体沿管间轴向强制层流的流动和恒热流密度的传热进行了理论研究。结果表明,流体的径向速度分布呈现类似于光管内湍流时近壁处薄层内变化率大,其余大部分区域平坦的特征;流体和泡沫的径向温度分布较为平坦;流体的压力降随泡沫孔数（ppi）增大的增长明显大于时流换热的Nu数随ppi数增大的增长;泡沫的孔隙率越小,流体的压力降越大,对流换热的Nu数也越大。     

低层双坡房屋屋面风荷载的数值研究——坡角和高宽比影响的分析

为探讨屋面坡角和房屋高宽比对低层双坡屋面房屋的屋面风荷载的影响，采用数值模拟方法并结合足尺模型测试的验证，对一系列具有不同坡角和高宽比情况的双坡屋面房屋的屋面风压分布进行了参数分析.利用基于Reynolds时均方程和可实现的k-ε湍流模型的模拟方法，得到了不同几何外形的屋面平均风压的分布曲线，总结了屋面平均风压系数随高宽比、坡角变化的基本规律.结果表明,随着屋面坡角的增大，迎风屋面的风压绝对值趋于减小，背风屋面则趋于增大，推荐坡角为15°～25°；屋面风压随房屋高宽比的增大而增大.     

板式换热器触点分布对换热阻力性能的影响

为进一步提升人字形板式换热器的综合性能,对其触点分布进行研究,得到触点分布与下层波峰线到板换长度方向对称轴的距离L的关系式。通过数值模拟,分析人字形板式换热器单流道模型L改变时,换热和阻力的变化情况。随着L的变化,第一层触点位置周期性变化,压降与Nu数均呈现周期性变化,在半周期位置获得最小值;面积质量因子j／f的变化也呈现周期性,趋势和压降、Nu数变化相反,由于流场分布的均匀程度不同,j／f在半周期位置获得最大值。触点分布对换热阻力的影响,随着Re的增大而逐渐增大。结果表明:选择L为半周期时,可以在板式换热器的3个基本参数不变的情况下,进一步提高板换的综合性能。     

无升力双体水动力干扰计算

根据势流理论给出任意运动的2个水下无升力物体间流体动力干扰的二维和三维计算模型.从壁面附近圆柱干扰力计算结果出发,指出水下物体相互接近过程中,理论上存在某种干扰最小的路径.采用3种不同的网格划分比例计算回转椭球体附加质量,单元数确定时,加密纵向网格则与纵向运动有关的计算精度提高,横向的精度降低,因此网格划分应合理分配纵横比例.对三维Rankine体进行了壁面干扰规律的模型试验和计算研究,间距较大时物体受到壁面的吸力,随间距的减小,该吸力先逐渐增加后减小,最后变为排斥力,分布源计算值与试验值的比较表明:分布源法可有效预测壁面间距较大情况下的流动干扰力,随着Reynolds数的增加,分布源法有效性的壁面间距下限增大.论文中的数值模型也适用于多个无升力物体作6自由度运动的情况.     

纳米复合掺杂对高温二元熔融盐传热性能影响

为探索纳米氧化硅颗粒的添加对二元熔融盐传热流动的影响,对圆管中掺杂纳米氧化硅颗粒的二元熔融盐流动传热进行了数值模拟。设计了9组工况,计算得到了温度和速度分布以及各工况下的Nu数,计算结果与传热关联式进行了对比,分析了比热容、导热系数、粘度三个参数对传热的影响。结果表明,传热关系式适用于熔融盐基纳米流体,当掺杂的纳米氧化硅颗粒使得熔融盐具有一个较高的比热容和粘度时增强传热效果更好。纳米熔盐的比热容、导热系数和粘度分别提高了15%、5%、5%时,管内传热的Nu数最大可以提高6.7%。Nu数随着Re数的增大而增大,当Re数增大到一定程度时,Nu数对Re数增大的响应灵敏度有所降低。     

基于COMSOL PDE仿真的垂直板驻点混合对流与传热

研究了不可压缩粘性流体在垂直指数延伸壁面上的边界层流动与传热问题.通过相似变换将边界层控制方程转换为非线性常微分方程,并利用COMSOL软件的PDE(偏微分方程)模块进行仿真求解.讨论顺流和逆流时浮力参数λ和Prandtl数Pr对流体流动和传热特性的影响.结果显示:顺流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而增大;随着Pr数增大,Nusselt数增大而表面摩擦系数减小.逆流时,表面摩擦系数和Nusselt数均随浮力参数λ的增大而减小,随Pr增大而增大.     

涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的数值研究

采用数值研究的方法,对一典型航空发动机旋转状态下涡轮叶片前缘冲击气膜复合冷却的流动与换热特性进行了研究分析.计算模型将孔出流结构简化为缝出流结构,并由进气块、前缘块和尾缘块组成.通过对不同旋转速度的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,其流场与换热分布要受到哥氏力、离心力和浮升力的影响.在所研究的范围内,雷诺数较低时前尾缘冲击面的平均Nu数分布出现波动现象;在雷诺数较高时,前尾缘冲击面的平均Nu数分布随转速的增大单调减小.     

湿空气自然对流下相对湿度分布研究

针对建筑室内壁面结露位置问题,利用计算流体力学(CFD)方法,数值模拟室内多组热瑞利数和湿瑞利数作用下自然对流,分析室内空气相对湿度分布,判断室内冷凝发生的可能区域。研究结果表明:当温度梯度和水蒸气质量分数梯度方向相同时,室内流动加强;反之,流动减弱;室内空气流动结构直接影响室内相对湿度的分布,相对湿度最大点位于水分质量分数高的壁面上部,且随着流动强度增大沿着流动方向移动。