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局部热驱动壁面及周期性热边界条件下多孔介质腔体内的自然对流换热特性研究

马兵善  
【摘要】:多孔介质内的对流换热现象在日常生活和生产中普遍存在,具有很强的应用背景,在石油热采、地热的开采与利用、地下储能、食品加工、干燥,太阳能的利用、建筑物的节能保温等都有很广泛的应用,其中又有不少应用的热边界条件是随时间发生变化的,鉴于其在实际工程应用中的重要性,本文对热边界条件随时间变化的局部热驱动壁面多孔介质腔体内的自然对流进行了数值研究,期望能够对实际工程具有理论指导意义。 对上下壁面绝热、左侧壁面长度为b的部分维持恒定温度Th而剩余部分绝热、右侧壁面维持恒定温度Tc的多孔介质方腔内的自然对流换热进行了数值研究。在一定的参数范围内,分析了局部加热面位置对腔体自然对流换热的影响,经过计算得到了最佳的局部热壁面位置,在此基础上研究了介质参数对多孔介质腔体内自然对流换热的影响。 对左侧壁面长度为b的部分维持恒定温度Th,右侧壁面长度为b的部分维持相对较低的温度Tc,左右壁面剩余部分和水平壁面绝热的多孔介质腔体内自然对流换热进行了数值模拟研究,通过对36种不同的局部冷、热面位置的比较,得到了最佳的对流换热位置。同时在局部冷热壁面最佳位置处,研究了Da数、Ra数、孔隙率ε以及高宽比对自然对流换热的影响。计算结果表明:冷、热壁面的位置对多孔介质方腔内自然对流换热有较大的影响,左侧热壁面的位置为Dh=0.65,右侧冷壁面的位置Dc=0.35时自然对流换热最强。 对左侧局部热壁面温度随时间按正弦规律变化,右侧的壁温维持相对较低恒定温度,剩余部分均绝热的二维多孔介质腔体内非稳态自然对流换热进行了数值研究。着重分析无量纲周期f、无量纲振幅a以及Ra数、Da数、孔隙率ε;对腔体内自然对流换热的影响。计算结果表明,随着a的不断的增大,局部热壁面处的Nuh数也是在不断的增大,Nuc曲线的变化较为剧烈,虽然Nuc的幅值小于Nuh的幅值,但是Nuh=Nuc。随着Ra数增大,方腔内出现第二漩涡的时间有所提前,且强度也是逐渐增大的;Da数的不断增大会提高多孔介质腔体内自然对流换热的强度,Ra数较小时多孔介质腔体内的自然对流换热基本不受孔隙率的影响。


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