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基于能量梯度理论的自然对流传热数值研究

蒋刚  
【摘要】:自然对流传热无论是在日常生活还是在工程实际中都有极其广泛的应用。其中,自然对流流动失稳物理机理的研究向来是这类研究的重点。迄今,随着自然对流在工业、国防、能源、环保及日常生活等方面的应用日趋频繁,许多科研工作者对自然对流传热研究做出大量贡献,也取得了相应的研究成果。研究自然对流主要是为了探究流动失稳的物理机理,在此基础之上依据人的主观意志控制对流传热效率,最终完成节约资源、保护环境的社会目标。无论是实验研究还是数值模拟研究,自然对流流动失稳的物理机理尚不清楚。即使获取了一些人为控制自然对流传热的方法,但是自然对流传热效果还不太理想。 本文借助能量梯度理论分别研究了倾斜方腔自然对流、加翅片矩形方腔自然对流及翅片散热器数值模拟中流动失稳的物理机理。倾斜方腔自然对流研究的主要内容概括如下:(1)应用能量梯度理论揭示流动失稳的物理机理。(2)分别研究了流动时间、容器长度及容器倾斜角度对流动失稳的影响。发现流动失稳强度随着流动时间的增加而增强,流动失稳发生的位置随着容器长度增加向左偏移,流动失稳偏移的位置与临界倾斜角有关。加翅片矩形方腔自然对流研究的主要内容概括如下:(1)应用能量梯度理论揭示流动失稳的物理机理。(2)分析瑞利数Ra对传热性能的影响,同时分析Ra和K max的对数函数关系揭示流动失稳和传热效率之间的内在联系。(3)分析翅片数量、翅片位置、翅片长度对流动失稳及传热性能的影响。发现翅片数量和翅片位置对传热性能的影响很小,且翅片安装在热壁面中间高度时具备较高的传热性能。翅片散热器数值模拟研究的主要内容概括如下:(1)应用能量梯度理论揭示流动失稳的物理机理。(2)分析不同的翅片高度、间距、结构对流动失稳的影响及对传热性能的影响。发现翅片高度和翅片间距共同控制着基流流动特征及传热性能,而翅片结构对传热性能的影响很小。 能量梯度理论揭示了自然对流流动失稳的物理机理,也为控制自然对流传热提供了理论支撑。本文的研究旨在验证能量梯度理论在自然对流传热应用中的准确性,继而掌握部分控制对流传热的方法,并为其他工业、国防、日常等领域控制自然对流传热提供一定的指导方法,最终能够按照人的主观意志控制自然对流传热以期实现保护资源及节约能源。


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