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粘弹性流体基纳米流体湍流对流换热直接数值模拟研究

李东阳  
【摘要】:纳米流体具有强化换热的性能同时增加了流动阻力,而粘弹性流体具有减阻和恶化传热的效果,将减阻溶液与纳米流体各自的优势结合,希望得到具有减阻效果同时具有一定换热性能的新型流体,为了探究这种流体是否具有预想的性能,对这种流体进行了直接数值模拟研究。 对牛顿流体基Al_2O_3纳米流体和粘弹性流体基Al_2O_3纳米流体在稳定加热的平板槽道区域中的湍流速度场和温度场进行了直接数值模拟。假设流体为单相,粘弹性流体网状结构和溶剂的相互作用采用Giesekus模型实现。假设温度为被动标量,对速度场无影响,纳米流体的物性参数采用Al_2O_3纳米流体的经验和实验拟合计算式。N-S方程、Giesekus本构方程和能量方程中,除了压力项以外,其他项时间上的差分均采用二阶精度Adams-Bashforth格式。压力项采用求解泊松方程完成推进时间上的推进;动量方程、能量方程和Giesekus本构方程的对流项和扩散项在空间离散采用二阶精度的有限差分方法;为了避免压力场的跳跃,采用交错网格,压力、温度和变形率的值储存在控制容积的中心,速度值储存位置与它们有半个网格的距离。 计算得到两类纳米流体的速度场和温度场分布,均与实验结果和经验公式符合,说明了本文结果的正确性。针对粘弹性流体基纳米流体,得到了努谢尔数随纳米粒子体积分数增加而增大的趋势,同时具有一定的减阻率;为了研究其强化换热的微观机理,分析了湍流脉动强度、流向湍流热流、壁面法向湍流热流以及湍流热流通量平衡方程的各项分配情况。模拟结果表明,粘弹性流体基纳米流体具有减阻效果,与粘弹性流体基液相比,换热效果增强;增加纳米粒子体积分数,强化换热效果也随之增加。


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