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热边界条件随时间周期性变化的封闭方腔内纳米流体自然对流换热特性研究

孟曦  
【摘要】:壁面热边界条件随时间作周期性变化的瞬态自然对流换热广泛存在于电路电子设备的放热、生物工程、电子工程、化学工程及建筑和太阳能应用等许多工程应用领域。另外,纳米流体作为一种新型的换热流体,给强化传热领域带来了新的机遇,受到越来越多的关注。鉴于这种自然对流换热现象的重要性以及纳米流体在强化传热领域应用的可行性,本文针对壁面热边界条件随时间作周期性变化条件下,封闭方腔内纳米流体的瞬态自然对流换热进行数值模拟研究,通过研究它们的流动换热规律,以期为工程应用提供参考。本文的主要研究内容如下: (1)在一侧竖直壁面温度随时间正弦变化,相对一侧壁面维持稳定的较低温度的条件下,分析封闭方腔内纳米流体的非稳态自然对流换热规律,研究Ra数、体积份额φ、无量纲振幅a和无量纲周期τ_p对非稳态自然对流换热特性的影响。模拟结果显示随着Ra数的增大,纳米流体的浮升力增大,方腔内部的纳米流体自然对流增强;随着体积份额φ的增大,纳米流体的导热系数增大;这两个参数的增大都明显增强纳米流体对流换热能力。冷、热壁面几何平均努赛尔特数变化曲线和温度的变化曲线近似,都呈现具有相同的周期正弦变化,但是它们之间存在相位差。其振幅的大小受到热壁面温度正弦变化的振幅a和周期τ_p的影响。热壁面温度随时间做正弦变化对封闭方腔内的流体影响较大,方腔内部会出现流动方向与主流方向相反的漩涡,随热壁面温度变化,周期性出现和消失。同时,热壁面传入方腔的热量不是完全从冷壁面传出方腔,而是有一部分从热壁面上部传出,在较大的振幅a时,在某段时间内,整个热壁面都有热量的排出并没有热量的进入。 (2)对具有正/负倾斜角度的方腔,在一侧壁面温度随时间正弦变化,相对一侧壁面维持稳定的较低温度的条件下,分析封闭倾斜方腔内纳米流体的非稳态自然对流换热规律,重点研究了方腔的正/负倾斜角度、Ra数、和体积份额φ对非稳态自然对流的换热特性影响。在任意的倾斜角度下,增大φ均可以强化方腔内的自然对流换热。倾斜角度越大,方腔内纳米流体的自然对流强度越强,但是其对流换热系数不一定增大;方腔内纳米流体的对流换热强度受到方腔的倾斜角度的影响,最佳的换热倾斜角度受Ra数大小影响,Ra数越大,最佳换热角度越小;当Ra=10~6时,方腔的倾斜角度大致在15°时,方腔内纳米流体自然对流换热效果最好;当Ra=10~4时,最佳换热角度大致在45°;体积份额φ对最佳换热角度的影响不明显,但是在最佳换热角度下对对流换热强度有一定的影响。


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