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封闭腔湍流自然对流修正k-ε模型及其应用

王烨  
【摘要】:自然对流是由于流体的温度差或浓度差引起了密度差,在重力或其它力场作用下形成升浮力而产生的一种流体流动和对流传热现象。 封闭腔中自然对流由于在建筑节能、电子元器件的冷却、太阳能集热器设计、核反应器设计等领域中的普遍应用而受到了广泛关注。在过去的几十年中,为了深入理解封闭腔中自然对流流动与传热过程,人们开展了大量的实验和数值研究工作,但是封闭腔中湍流自然对流数值分析的结果与实验结果之间依然存在较大差异。随着计算机能力和计算方法的发展,数值分析方法越来成为不可缺少的研究手段。因此,进一步对封闭腔内湍流自然对流模型进行研究非常必要。 已发表的研究结果表明无论用高雷诺数κ-ε模型还是低雷诺数κ-ε模型对封闭腔内湍流自然对流问题进行计算时所得结果与实验结果之间均存在较大差异。本文针对这一现状开展了一系列工作。 1.为了获得数值结果和实验结果产生较大差异的原因,对自然对流和强迫对流从动量传递与热量传递之间的比拟关系方面进行了分析。发现自然对流流动边界层与温度边界层之间不存在比拟关系,从而不能像强迫对流一样用αt=νt/σt封闭能量方程中的-ρcpuiT。 2.提出了一求解封闭腔湍流自然对流换热的高低混合κ-ε模型,将由该模型所得结果与实验数据进行了对比。结果表明该模型在对湍流自然对流换热的预测精度上虽达到一定改善,但还需要进一步提高。 3.为了对高低混合κ-ε模型进行进一步改进,提出修正湍流普朗特数方案σt=1+Pr,并形成湍流修正κ-ε模型。将该模型所得结果与实验数据进行了对比,发现用修正κ-ε模型在Ra109条件下获得封闭腔内空气湍流自然对流换热的平均Nu数与实验值之间的相对偏差平均值降低到了8.43%,同时在108≤Ra≤109时所得结果与其它文献中的数值结果很接近。 4.将修正κ-ε模型用于兰州地区住宅供暖换热器传热特性分析。在满足室内供暖温度要求的情况下,获得了外墙类型、室外环境条件、换热器面积、邻室传热等因素对换热器传热性能的影响规律、换热器表面温度、换热器提供的热量、室内流场、温度场等特征。


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