翅片对含内热源的封闭腔内对流与传热的影响研究

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:qiaozhang781209
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自然对流现象在日常生活以及工业生产实践中广泛存在,如核反应堆设计、平板式太阳能集热器、建筑物隔热、电子元器件散热等。其中侧壁加热封闭腔内自然对流由于诸多工业需求而成为该领域的研究热点。而现阶段对侧壁加热封闭腔内置热源且垂直壁面布置翅片进行强化或抑制换热的文献报道较少,同时此类问题也是工程实际应用中急需解决的问题,因此成为本文的研究目标。本文采用ANSYS FLUENT数值模拟软件,通过对流场、温度场、腔体水平速度、竖向速度、湍流黏度、热壁面与热源表面平均努谢尔特数等进行对比分析,研究了不同翅片位置、倾角、形状、热源位置、壁面发射率以及瑞利数等对封闭腔内对流与传热的影响。主要工作有:(1)翅片位置对腔内自然对流与传热的影响。研究了薄翅片和厚翅片位于热壁面自底面向上不同位置时对腔内对流和传热的影响。结果表明,翅片在热壁面不同位置时对腔内流动和传热有明显的影响。薄翅片位于热壁面H/4处时,热壁面平均努谢尔特数最大,而此时热源表面平均努谢尔特数最小。说明薄翅片在热壁面H/4处时,热壁面与腔内的传热效率较好,而热源表面与腔内空气的换热效率较差。薄翅片在热壁面3H/4位置处,热源表面平均努谢尔特数最大。与薄翅片不同的是,厚翅片在热壁面3H/4位置处热壁面与热源表面平均努谢尔特数均达到最大值。(2)翅片倾角对腔内自然对流与传热有显著影响。以瑞利数Ra=1.28×109为例,翅片在热壁面上H/4处时,改变翅片倾角对腔内尤其是热壁面附近的对流与换热影响显著。当翅片倾角θ=900时,热壁面平均努谢尔特数最大,说明翅片倾角θ=900时热壁面与腔内的传热效率最大。(3)翅片形状对腔内自然对流与传热的影响表现在翅片在热壁面3H/4位置时,改变翅片形状时腔体半高处水平速度和腔体半宽处无量纲温度波动相对较大。其中,当翅片形状为矩形时,热壁面平均努谢尔特数最大,热壁面与腔内的传热效率最大,热壁面与腔内空气的对流传热能力最强。(4)研究了热源在底面上位置的变化对腔内自然对流传热的影响。结果显示,热源表面平均努谢尔特数总是随着热源与热壁面距离的增大而增大。对于矩形薄翅片的腔体,在瑞利数较低时(Ra<1.28×109),热源在底面W/4处热壁面平均努谢尔特数最大,在底面3W/4处热壁面平均努谢尔特数最小。而当瑞利数增大到Ra=1010时,热源在底面3W/4处热壁面平均努谢尔特数最大。对于矩形厚翅片,在低瑞利数下,热源在底面W/2处热壁面平均努谢尔特数最大,而当瑞利数增大到Ra=1010时,热源在底面3W/4处热壁面平均努谢尔特数最大。(5)表面辐射对腔内对流与传热的影响。随着壁面发射率的增大,热壁面和热源表面平均努谢尔特数和腔体半高度处(Y=0.5)水平速度随之增大,腔内热分层更加均匀。在瑞利数为Ra=1.28×109下,相比壁面不考虑表面辐射的情况,薄翅片位于热壁面H/4处时,当壁面发射率ε=0.25,0.5,0.75和1时,热壁面平均努谢尔特数分别增加了50.4%、107.6%、176.7%、262.4%;矩形厚翅片位于热壁面3H/4处时,当壁面发射率ε=0.25,0.5,0.75和1时,相对于不考虑表面辐射,热壁面平均努谢尔特数分别增加了51.8%、109%、177.4%、262.5%。(6)瑞利数对腔内对流与传热的影响主要表现为低瑞利数时,改变翅片倾角和形状对腔内对流与传热的影响相对较小,热壁面以及热源表面平均努谢尔特数相差较小。高瑞利数时,热壁面以及热源表面平均努谢尔特数相差较大。
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