文摘

自然对流传热的二维方形外壳在不同倾斜角度的研究使用基于有限体积数值计算过程。传热是有限长度的恒温热源集中在一个墙上的冷墙对面,其余墙壁是绝缘。热源的面积比的影响从0.2到1.0,瑞利Ra数量从10³到10⁷,外壳的倾角不同从0°- 360°的流场和传热特性。简化和等温线模式发现相似的在低瑞利数而在高瑞利数的差异是重要的参数的影响。平均努塞尔特数大大减少热源的位置移动水平中心线上的外壳。平均努塞尔数的相关性取决于获得感兴趣的参数的一般形式。相关系数是由多元回归分析对整个范围的瑞利数字分析和价值发现的相关性方程与数值结果有很好的一致性。

1。介绍

自然对流传热在围场被研究人员广泛研究,因为在科学和技术的现实意义。应用包括加热和冷却的建筑空间,太阳能收集器、热交换器、电子元器件和机械的有效冷却。这种系统的流体流动和传热行为分析数值和实验的研究人员,将不同的几何和热边界条件,从低到高瑞利数。不同群体的研究被广泛总结Wan et al。1)和一组基准数据质量也提出了本研究的自然对流范围。另一方面,一些调查(2- - - - - -4)是由研究人员在高处瑞利数10以上⁸在流成为紊流的数值解得到应用合适的湍流模型。毛和张5)进行了数值模拟在高可压缩湍流自然对流的空气腔来评估各种湍流模型的准确性温度边界条件。本研究表明,湍流模型在预测速度分布虽然LES模型很好预测温度分布在高瑞利数。不稳定在一个矩形腔自然对流,数值研究了帕特森和Imberger6),表明瞬态流动强烈依赖于普朗特数的公关,最终收敛于相同的稳态解。数值分析进行腔变粘度流体的对流Kandaswamy et al。7)确认了传热速率增加而增加,流体的粘度。分析性研究[8,9)在与容积腔自然对流热代例证了各种计算方法的收敛性行为。一个有限的方法方法,萨哈et al。10)一方倾斜开放腔自然对流的揭示了倾角的强烈影响腔的对流传热除了热边界条件的影响。Corcione [11)应用更简单的算法来确定热边界条件的影响在一个矩形外壳的侧壁在自然对流加热从下面和冷却之间的瑞利数的范围从上面10³和10⁶。在浅研究层流自然对流空气填充矩形腔提出了萨米和Elsherbiny [12]显示强烈依赖的自然对流传热瑞利数,圈地长宽比,外壳的倾角。Aminossadati和Ghasemi13)调查的影响方向倾斜的外壳与两个相邻的轮胎在不同的温度下自然对流传热和观察到在高瑞利数字流模式和传热的速度取决于倾角的外壳。Kandaswamy和Eswaramurthi14,15)他们的研究集中在测定水的密度最大的影响在4°C自然对流在广场上多孔外壳应用有限体积法。孔隙度的影响,格拉晓夫数,达西数和内部热量的产生对自然对流传热中详细介绍了这些研究。

由不同的人员进行了数值和实验研究通过引入几何特性,比如挡板,隔断墙,鳍,导电块提出各种传热应用程序(16- - - - - -19]。在每个研究中,描述的配置是影响外壳内的流型进而影响自然对流传热。许多研究在广场附件与时间有关的边界条件是在文献中发现的。颗插图,Aswatha et al。20.]应用有限体积法研究不同热边界条件的影响等下盘均匀线性正弦/不同的温度在围场自然对流。提出从上述研究结果表明,均匀温度给更高的努塞尔特数相比正弦和线性不同底壁温情况。

在许多实际情况下,有必要把斜附件中自然对流加热组件可以作为热源不分布在整个长度的内壁。重力和浮力的方向保持不变,不管倾角的变化的外壳改变热源的位置。热源的综合效应的大小和倾角造成额外的流型的变化和传热特性。在目前的研究中,外壳的稳定的层流自然对流现象研究了热源的不同的面积比率值在0.2至1.0的范围和倾角变化从0°- 360°。每个配置分析各种层流范围的瑞利数,。

2。数学公式

原理图的二维方形外壳的大小组成的一个离散热源的长度在一个恒定的温度其内部的墙壁,在图中进行了描述1。对面的墙的热源作为散热器在恒定的温度。除了热源和水槽,围墙的剩余部分应该被认为是绝热的。坐标系统的起源是固定在墙的一角包含热源。数值分析进行了不同面积比的热源= 0.2,0.4,0.6,0.8,和1.0假设外壳包含流体是不可压缩和层流。除了密度近似的布西涅斯克模型,流体性质是假定为常数所阐述的灰色和Giorgini [21]。热量从热源转移到冰冷的墙。热诱导密度梯度开发浮力流和重力始终作用于流体粒子垂直向下方向无论倾角的外壳。

2.1。控制方程

质量守恒定律、动量和能量方程解决了自然对流流的控制方程:

2.2。边界条件

下盘:(;):。前墙:(;):热源(;):。左墙低侧热源:(;):。左墙壁上一面热源:(;):。右墙:(;):。

流体的性质和重力加速度分配适当的值来获得所需的由瑞利数 平均努塞尔特数在冰冷的墙,这是一个测量对流传热的外壳,估计使用的关系

3所示。计算方法和网格独立研究

在目前的研究中,基于有限体积的计算方法应用于求解控制方程。Patankar[建议的简单算法22)是用于压力速度耦合和二阶逆风方案用于求解动量和能量方程。速度梯度的液体会很高内壁附近由于边界层的形成与远场地区相比。创建矩形网格形式结构如图2与细网格靠近内壁准确捕捉边界层和粗网格的中心附近外壳减少计算时间。网格独立测试进行网格大小,,,,,,对于一个典型的方形外壳与热源形成完整的左墙(),顶部和底部绝热墙壁,并完成对墙作为散热器(冷的表面)。当地努塞尔特数的变化在不同的网格结构的冷墙瑞利数10⁴和10⁶如图3。网格比较表明,网格独立结果获得了网格大小及以上。为了确保更好的结果精度,网格结构是理想的选择所有的分析研究。收敛标准设置为10⁻⁶相对残差(缩放)。

4所示。验证研究

验证了本研究中应用的方法严格进行类似的研究报道Wan et al。1)作为广泛的基准数据瑞利数。轮廓图,情节的各种参数进行比较,发现两者之间的研究产生相似的结果。无量纲速度水平的比较(在midwidth) (呈现在图4演示验证研究的成就。瑞利数10点态测量³到10⁶被认为是在良好的协议之间的两个结果。缺乏比较点态测量开始出现瑞利数等于10⁷在一些空腔的对应点。例如有一个瑞利10号10%的最大区别⁷0.1单位距离顶部和底部的墙壁腔由于高速度梯度在这些层面。然而,目前的研究重点是瑞利数的层流范围不超过10⁷。

5。结果与讨论

数值结果的调查集中在面积比的影响的热源和倾角圈地的瑞利数10³到10⁷提出了在这一节中。用于定性描述考虑等高线典型腔与热源面积比率0.4和0.8 0°倾角和60°的角度。对性能影响参数定量描述使用情节。

5.1。面积比和倾角对流动的影响模式

图5显示结果与流场的流线圈地角度0°和60°面积比率等于0.4和0.8,分别对不同瑞利数。在低瑞利数粘性力更主要在活跃部队由于流发行量较弱。圈地倾角的影响和面积比的简化模式不太显著的低瑞利数到10⁴和获得的流线是同心形成单一细胞流模式。单个细胞的发展是在顺时针方向由于热壁附近的流体的兴起和冷壁附近的液体随之下降。随着瑞利数的增加,较高的活跃力量改变流型和附近的流线紧密间隔的墙。这是一个快速移动的迹象流体粒子强化自然对流传热。形成高瑞利数的简化是发现另外取决于热源的面积比和外壳的倾角。例如,对于0°倾角圈地的流场往往演变成两个反向旋转细胞在瑞利数等于10⁵这样的进化开始只在瑞利数等于10⁶60°倾角的外壳。随着瑞利数的增加,简化间距减少,因此流体速度增加的大小。圈地无意时,模式简化间距不对称的上部和下部的热源。更紧密地包装流线上注意到上面的热表面。60°倾角外壳流线型间距模式出现对称的上部和下部的热表面。

等温模式面积比率0.4和0.8和倾斜的角度0°和60°图6显示了这两个参数对温度变化的影响进而影响传热的速度。热的和冷的表面附近的热梯度高瑞利数。等温线平行于冷热墙中间部分的外壳在低瑞利数,随着瑞利数的增加这些线几乎是垂直的。圈地的倾角的影响是明显的等温线绘制60°倾角。绝热壁附近的等温线密集的下游一侧热源。

面积比的影响同样的瑞利数和倾角也可以观察到数据5和6。虽然曲线保持不变的趋势随着面积比的增加,额外的流线和等温线浓度注意到,这表明与面积比传热速率的增加。

5.2。平均努塞尔数的变化

外壳的倾角强烈影响的自然对流传热特别是在瑞利数高,由于流线的变化和等温线模式。插图,平均努塞尔数的定量变化对不同瑞利数与热表面面积比等于0.8图所示7。在低瑞利数10³和10⁴外壳内的流动循环弱,因此平均努塞尔特数是独立于它的倾角。在高瑞利数的平均努塞尔特数减少增加从0°- 90°和相应达到其初始值为0°时从90°- 180°。当增加超过180°和270°,上面的热表面提升中心的外壳和寒冷的表面走向底部的水平。浮力背离远离冷壁造成额外的传热率下降。获得传热速率的最小值等于270°的热和冷表面的极端的上下两侧,分别和浮力的方向正是炎热的墙。增加从270°- 360°变化对应的平均努塞尔特数它的初始值为0°倾角。相同的变化趋势与观察到所有的瑞利数调查与热源的不同面积的比率。

5.3。传热无量纲的相关性

在稳态条件下热通量()从热源吸收冷壁,因此在冷壁的传热能力是衡量圈地。基于这一研究获得的数值结果相关性方程可以建立瑞利数的平均努塞尔数的依赖和热源的面积比,为特定倾角的外壳,如下:

相关系数的值,,所获得的多元回归分析研究角度的倾斜的外壳和最大相对误差在一起吗和平均标准差详细表1。的值和估计由以下方程所显示Chapra和Canale23]:

的值和在0.0143和0.1523之间变化,在0.2216和3.567之间,分别,这证明好协议数值结果和使用获得的价值之间的相关性方程。

6。结论

自然对流传热在一个方形外壳从离散热源加热,冷却从对面墙上剩余的隔离墙被调查。研究进行了面积比率从0.2到1.0的热源,倾斜角度的圈地0°- 360°,和瑞利数的值介于10³和10⁷。简化和等温线模式发现类似的情况下,在低瑞利数而观察到高瑞利数相当大的差异。在倾角的影响研究表明,平均努塞尔特数大大减少热源的位置移动水平中心线上的外壳。传热相关方程已经发展为每个倾角圈地调查与计算结果有很好的一致性。

命名法

:	热源面积比()
:	重力加速度
:	围墙的长度
ν:	努塞尔特数
:	平均努塞尔数
:	流体静压力
公关:	普朗特数
:	热通量
类风湿性关节炎:	瑞利数
:	热源的长度
:	温度
:	冷壁温度
:	热源的温度
:	速度组件和方向
:	笛卡儿坐标
:	相关系数。

希腊符号

:	热扩散率
:	体积膨胀系数
:	外壳的倾角
:	运动粘度
:	流体密度
:	最大相对误差
:	平均标准偏差。

下标

:	冰冷的墙
:	热壁
avg:	平均值
相关系数:	相关性。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。