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《北京交通大学》 2018年
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有翅片侧加热腔内的流动和传热

马佳  
【摘要】:由于有翅片侧加热腔具有设计简单且可有效控制传热的特点,因而已被广泛地应用到工业生产实践中的多个方面,例如各类换热器、太阳能采集器甚至建筑节能设计等。因此,有翅片侧加热腔内自然对流研究已成为流体力学和传热学等相关领域所共同关注的课题之一,也是国内外学术界的一个研究热点。文献调研显示,国内外学者在有翅片侧加热腔内自然对流的数值模拟和实验研究方面已取得了丰硕的研究成果,但对相应的动力和传热控制的机理性研究依然匮乏,这也因而成为本文的主要研究目标。基于有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制这一研究目标,本文采用尺度分析和数值模拟等方法分别研究了等温和等热通量侧加热驱动的腔内自然对流,分析了入侵流和羽流的可能流动机制,讨论了每组流动机制所包含的不同动力和传热控制,以期获得相应的尺度关系式并给出数值验证。研究结果显示,有翅片侧加热腔内自然对流的流动机制、动力和传热控制以及尺度关系式依赖于时间、瑞利数、普朗特数和翅片位置等参量(或部分参量)。此外,通过分析大量的数值结果,得到了流态间演化的临界瑞利数,并给出了侧加热腔内传热传质的定量刻画。本文的重要研究进展包括:(1)发现并证明了等热通量加热条件下羽流动力控制转换存在流量时间增长的临界指数(=2),分析给出了羽流可能存在的新的流动机制,获得了不同动力传热控制下入侵流和羽流的尺度关系式并得到了相应的数值校验。(2)发现了等温加热条件下入侵流及羽流流动机制依赖于翅片位置,观察到入侵流的新的动力控制子区,获得了不同动力传热控制下入侵流及羽流依赖时间、翅片位置、瑞利数和普朗特数的尺度关系式并给出了数值验证。(3)经大量数值模拟结果分析,获得了翅片绕流由定常向非定常演化的临界瑞利数及与普朗特数的依赖;通过比对等温和等热通量侧加热腔内流动,给出了腔内流动的传热和传质对瑞利数和普朗特数的定量依赖。(4)基于数值模拟结果分析,得到了翅片绕流流动的传热和传质对翅片位置的定量依赖,给出了可强化腔内传热传质的翅片优化位置。本文研究所获得的成果除可补充流体力学和传热学有关入侵流和羽流在动力和传热方面的认知不足外,也可应用于具体的工业设计中。然而,在应用前,合适的实际校验以及公式适用条件的理解是实现设计可靠性及精度的保障。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O35;O551.3

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