湍流强迫对流在水平通道中流动的流体的热质联合传递

摘要

在本文中，我们报道了不可压缩湍流空气流动的动力学和热行为的数值研究在二维水平通道强制对流。这个包含了偏转器的复杂形式，它是通过改变倾角来研究的φ= 40°, φ= 55°φ= 65°。挡板安装在沟道的上下壁上。壁面保持恒温(375 K)，进气速度为U_㈡= 7.8 m/s，雷诺数Re = 8.73 × 104。采用有限体积法求解耦合控制方程，采用SIMPLE(压力关联方程半隐式法)算法处理速度-压力耦合，建立了数值模型。当Pr = 0.71时，流线和等温线受倾角Re = 8.73 × 104时的影响较大;当Re为常数时，挡板附近的摩擦系数增大;管道壁面的局部努塞尔数随导流板倾角的增大而变化。此外，导流板通常用来改变流动结构的方向，也增加紊流水平。斜折流板的加入对传热传质有一定的促进作用，在一定角度下努塞尔数显著增加。

1.介绍

近几十年来，湍流强制对流的热传递吸引了几个研究人员的大量关注。这适用于工业领域，包括电子电路的冷却[1]、能源效益的热性能[2]、太阳能集热器的流动及传热[3.]，润滑技术[4]、地热热交换器[5- - - - - -8和许多其他的。文献中对不同几何形状下的混合对流换热进行了大量的解析模型、数值和实验研究[9，10］．在这一领域的文献是广泛的研究人员和非常重要的工业。通过对文献的回顾，我们注意到关于紊流强迫对流换热和结构流体的研究还很少。已有一些工作采用有限体积法和格子玻尔兹曼法(LBM)等方法进行传热设计。最近，Amghar等人[11]采用有限体积法，建立了尺度分析的解析表达式，对水平通道的热性能进行了评估。研究了湍流强迫对流时，挡板间距对对流换热和流动结构的影响。他们发现，换热管中的传热性能随着挡板之间空间的增加而增加。另一方面，同样的作者[12通过安装在两个相同的等温水平壁之间的方形块来研究传热增强和流体流动特性。作者评估了纵横比A / B = 0.5的效果;0.75;1关于沿通道的强制流动的热和流体动力模拟。他们得出结论，随着身体的纵横比增加，总传热呈指数增加。Benzenine等人。[13[摘要]报道了多孔折流板矩形通道中三维层流强制对流换热过程的数值研究。他们发现，与固体和简单的导流板相比，穿孔导流板提高了传热(从0.03%提高到82.96%)，经济上提供了非常好的材料减少(从5.18%降低到82.96%)，机械流动阻力更小，因此性能更好。相比之下，我们可以引用萨赫勒等人[14，他们研究了带有孔的挡板的设计，该挡板包含一排四个孔，安装在沿通道的三个不同位置，Re值不同(从10⁴到10⁵）;他们发现，与简单的挡板相比，带孔挡板的热传导增加了。在这个框架中，Saim等人[15]研究了在其上下壁上周期性设置横向挡板的水平通道上的紊流和传热。他们得出结论，挡板之间的间距影响固体和流体之间的传热表面，挡板之间的间距越小，传热越高。此外，Menni等人还研究了文献中报道的几种改善太阳能空气集热器传热的技术。16］．(去寻找更多17研究了矩形通道换热器中插入波纹导流片的性能。通过数值模拟，确定了流动结构和热场分布。分析了挡板角度从0°到45°的变化规律。另一方面，比率h /小时被认为是h /小时 = 0.4, 0.5, and 0.6. Then, the expected results showed that an increase in the overall performance factor as a function of the waviness angle growth was noted and that the ratioh /小时= 0.5对应于所研究案例的最佳配置。(去寻找更多18分析了带挡板的换热器的主要设计参数及优化。作者给出了有关的结果，特别是，挡板的方向和倾角的影响。结果表明，挡板的倾斜角对传热有一定的促进作用。此外，Boonloi和Jedsadaratanachai [19在具有离散组合挡板（DCB）的方形通道的情况下，在具有离散组合挡板（DCB）的情况下，在湍流强制对流的情况下进行了对传热的数值研究，其组合V-挡板和V孔。对于Br = 0.05,0.10和0.15，流动阻塞比的影响变化，并且V尖端方向以间距比和攻击角度为30°，对于5000和20000之间的雷诺数。结果在流动和传热结构方面提出了获得的。结果，与平滑通道的情况相比，将分级挡板的插入达到约2.8-6次的传热速率。结果表明了达到约1.72的最佳值的热性能因子的改善。Sahel等人。[20.]研究了在换热器中插入挡板会增加摩擦系数的问题，以改善整个通道的传热。为了改善这一问题，作者提出了一种新的偏转板设计，称为“分级折流板”，他们考虑了两种情况:折流板的下降/上升高度。本文从数值上探讨了梯度折流板宽高比对热、水动力性能的影响。从预测结果可以看出，新的折流板设计可以充分降低摩擦因数。分析的范围是从10个雷诺数⁴到2 × 10⁴．他们认为，所提出的分级挡板几何形状对整个通道的流动和传热结构具有重要影响。Ameur和Menni [21]分析了挡板对热交换器设备造成的压力损失，以获得传热的改善和水热交换器特性的优化。作者选择了一种管式换热器(The)。因此，作者提出在集成挡板中引入圆形穿孔。对换热器的流场和热特性进行了研究。结果表明，多孔导流板对换热器的几何优化、热性能的提高和压力损失的降低具有重要作用。

这项工作的主要目的是沿着水平通道研究新的设计，具有复杂的形状挡板，并调查数值热和流体动力学表现。本文提出的结果是从几个倾斜角度获得的。所有数值结果都是在具有4 GHz CPU的核心5 DUO处理器的计算机上计算的。纸张的内容结构如下：在一节中2在描述换热器湍流强迫对流和边界条件的同时，给出了物理问题的数学表达式。本节给出了数值分析3.利用有限体积法中使用的富集功能。部分4给出了程序验证和以流线、等温线、局部努塞尔数、速度剖面和摩擦系数表示的数值结果。最后，本节给出了数值研究的结论5．新方法被证明享受预期的准确性以及鲁棒性。最后，部分5本文总结道。

2.问题公式化

2．1．物理模型

本问题的物理模型是水平平面通道，其两个挡板放在上部和下沟道壁上，如图所示1(一)．上壁保持在恒定温度（T_w = 375 K), and the baffles are supposed to be adiabatic. The dimensions of the physical parameters are illustrated in Table1．工作流体是空气，假定其物理性质不变。空气以入口温度T进入通道_㈡，进口速度U_㈡和大气压。在本分析中，考虑了二维稳定的空气流量。物理问题的数学制定是基于以下一些假设：(我)这个问题被认为是二维的稳定的(2)假设空气流动是湍流的(3)流体空气(Pr = 0.7)是一个恒定的物理特性，并保持在恒定的温度下T_㈡= 300 K(iv)液体是牛顿和不可压缩的(v)通道入口的轴向速度和温度是均匀的(vi)墙壁（上部和下部）保持在恒定温度下(七)辐射传热可以忽略不计

挡板的尺寸和布置如图所示1(一)和1 (b)．

这些物理问题的维度被认为是Demartini等人的实验研究的维度[22]对于相同的几何形状，如图所示1．

2.2。数学公式

基于上述假设，我们可以通过水平频道中的湍流强制对流提供热量和质量传递的数学制定，如下所示：(我)保持连续性： (2)养育动量x- 自由度： (3)养育动量y方向: (iv)能量保护：

湍流模型k-ɛ，用于处理高雷诺数流体湍流，而k（湍流动能）和ɛ(耗散率ε），洗涤和斯派比[23Shih等[24]，可以写如下：(我)湍流能量方程: (2)湍流耗散方程： 在哪里µ_t为湍流粘度:

等式包含三个常数值：C_µ，σ_k， 和σ_ɛ，现述如下:

本文研究的主要参数为雷诺数(Re)、摩擦因数(C_f)和本地努赛尔数(Nu)。

矩形通道的雷诺数，用通道的液压计算计算，D_h= 0.167 m，进口速度，U_㈡ = 7.8 m/s, is taken according to the experiments of Demartini et al. [22， Re = 8.73 × 104。这个无量纲参数定义为 在哪里ρ为空气密度，μ为动态粘度，U是空气的平均速度，和D_h为通道的直径。

摩擦系数由 在哪里τ_w为剪力墙处的剪应力U表示截面上的平均轴向速度。

局部努塞尔数定义为 在哪里和分别为流体的导热系数和沿通道位置处的位置。局部表面传热系数被定义为 在哪里T_b，流体的批量温度计算为 在哪里一个是流体流动横截面。

方程的解算(1) - (6），先前获得的，要求我们介绍每个因变量的边界条件。在这项工作中，基于作者的实验工程，选择了系统的流体动力学和热限制的条件[22，25］．

2.3。边界和界面条件

应用于物理系统的无量纲方程的边界条件为:(一)在进口处(x = 0 and ）： (b)在加热的墙壁（上下）： (c)在实体液体界面： 在哪里是坐标与界面正常的坐标λ_f和λ_年代是流体和固体的导热系数。(d)在出口(x = l和 ），所有参数的梯度为零:

3.数值模拟

3.1。网格独立研究

用相关边界条件获得的控制方程式系统通过有限体积法在数值上进行解决。使用Patankar开发的简单算法处理速度 - 压力耦合[26］．而控制方程中的对流项和扩散项分别采用center格式和QUICK格式离散[27]，而最后一个则被认为是高阶格式。经过简化计算，得到离散化方程如下: 在哪里 和φ. = u， ，T，k，ɛ．

所以，在这一部分，我们感兴趣的是研究轴向速度的稳定性u；两种方法都采用非均匀网格x和y所有计算的方向。因此，在这个问题中，我们可以选择单元数(265 × 150)来离散物理模型x和y，以节省计算时间。在高梯度(温度和速度)的区域，即靠近固液界面和挡板的区域，这种网格更加精细。对几个网格进行了测试，以验证该解决方案是网格大小无关的(见表)2）.所有病例均使用相同的网格系统。收敛准则为归一化残差小于10⁻⁷对于流动方程和10⁻⁹对于能量方程。

３．２．代码验证

我们的数值代码被Demartini等人的实验结果所验证。22]在具有挡板板的矩形通道的情况下。为此，通过考虑到等于8.73×10的雷诺数来进行比较⁴．然而，我们比较了两个特定位置(第一个挡板的上游位置)的平均轴向速度分布x= 0.159 m)，如图所示2和3.,分别。这些结果表明，我们的数值结果与Demartini的实验结果有很好的一致性。然而，通过我们的数值代码对实验模型的验证，可以证实我们的数值结果的可靠性。

4.结果与讨论

4．1.流线和等温线

采用数值方法研究了高雷诺数折流板通道中的强制对流问题。给出了两板折流板的三个倾斜角的流线φ₁= 40°,φ₂= 55°φ_3.= 65°(见图4）.对流道内的水动力场进行了验证，结果表明，流道内挡板的存在会引起多次的再循环，这取决于流速的强弱。此外，挡板周围的速度值非常低，特别是在下游区域，这是由回流的存在造成的。因此，当流体流动发生变化时，可以观察到第二挡板上游流体流动扰动较大，从而引起流动方向的快速变化。在靠近第二偏转板的第一挡板上游也观察到负速度。

我们推断出，在不同的倾角值下(情况a, b, c)的动力学结果表明，在通道中存在几个区域。事实上，我们观察到挡板前后有三个回流区。在位于第一个挡板上游的第一个区域，流体加速并以轴向速度(抛物线)到达，当它接近后者时，流线发生偏转。在位于挡板上方的第二区和位于挡板下游的第三区中，通过通道段的减速作用加速了流动。流线表现为从挡板和壁面形成的截面流出的流动的膨胀效应。这一区域最重要的现象是回流形成的流动范围与倾斜角成正比。此外，我们观察到φ_3. = 65°, the number of vortices is larger and the number of recirculation is more important. Moreover, the recirculation area becomes fully developed and larger than in the previous two cases.

最后，我们得出结论，倾斜角的增加导致了流动的加速，流体的速度和回流层的增加。事实上，这些再循环区域对沿通道的热交换不稳定性有显著的影响。让我们注意到，再循环区域允许局部传热的改善;因此，它们揭示了使用斜挡板的重要性。

高雷诺数Re = 8.73 × 10时的等温线图⁴在图5对于φ₁= 40°;φ₂= 55°;和φ_3. = 65° in the case of a channel with two inclined baffles. In fact, the fluid is diverted towards the walls of the channel, as shown by the recirculation zones upstream and downstream of two baffles.

从这些图中可以看出，挡板前后的再循环区域的空气温度明显较高。但是，可以肯定的是，在(c)情况下，倾斜角度的增加影响了沿通道从壁面(上部和下部)到流体空气的热传递。特别是，最热的区域位于墙壁附近和挡板周围，这是由于涡流的存在，刺激了空气和被加热的墙壁之间的热量交换。因此，我们得出结论，挡板的方向改善了对流在考虑通道中的传热。

4．2.流体流动剖面

三种情况下的速度变化在轮廓上清晰可见，并且它们具有正值和负值的值。为了研究沿着通道的轴向速度的这种演变，具有不同的倾斜角度（壳体A，B和C），我们已经描绘了由该流体动力学研究产生的轴向轴的变化曲线，其中五个位置：x= 0.159米,x = 0.285 m,x = 0.315 m,x = 0.345 m, andx= 0.525 m。

我们观察到在第一个挡板的上游(位置:x = 0.159 m) and in the lower zone of the channel at downstream of it (position:x= 0.285 m)，三种角度处理的轴向速度剖面几乎相同(见图)6和7）.另一方面，在第一挡板下游的通道的上部，轴向速度曲线完全不同。还应注意到，在通道的上部，我们注意到负速度值出现在两个挡板的位置之间的区域中存在再循环区。在该区域中，挡板的倾斜角度的减小导致两个方向（正和负）轴向速度的值的增加。

此外，速度剖面的结果如图所示8和9对于倾斜角的不同值（壳体A，B和C），在由位置定义的第二挡板上游的区域中：x= 0.315 mx= 0.345 m。动态结果表明，流速在通道下部减小，而在通道上部增大。因此，我们注意到，在三种处理的情况下，最大速度存在很大的差异，而在通道出口附近的区域，最大轴向速度的值大约是进口轴向速度的4倍(见图)10)，计算结果在(x= 0.525美元)。

因此，在通道的下部，我们观察到流体的流动随着倾角的减小而加速，而在挡板的下游，流体的流动则相对相反。这是由于第二个挡板下游流体动态运动的敏感性。

4．3．传热

数字11给出了三种情况下局部摩擦系数沿通道的分布。结果表明，在第一挡板上游没有障碍物时，壁面局部摩擦系数变化不大。另一方面，研究结果表明，两挡板与通道出口之间的摩擦系数显著增大。这是因为流体没有空间在挡板的下游快速循环。这样就形成了环流带。也注意到局部摩擦系数的高值位于第二挡板的下游。这表现在第二个挡板的流动方向与通道壁面的高速强度。因此，倾角的增大会影响压降的增大。事实上，结果允许我们得出结论，摩擦系数随挡板倾角的增加而增加。

局部努塞尔数Nu的存在，将两个挡板以间距放置在上下壁面上l₁不同倾角值(a, b, c)如图所示12．结果表明，与光滑通道相比，挡板倾角对通道传热有重要影响。这些结果表明，第一挡板(x < 0.2 m) is low for the three studied cases and that the curves are almost confused in this region. In addition, a complete change of the behavior of Nu is observed in the field between the baffles and upstream of the second baffle. There is a remarkable variation in the Nusselt number along the channel with a significant difference between the curves representing the three cases. In particular, just after the position of the first baffle, the effect of the inclination baffle on the local Nusselt number becomes progressively important.

最后，在所有情况下，在定义的位置下游x= 0.23 m时，Nusselt数沿航道变化显著。Nu的这种变化是位置传热的最大值x= 0.42 m，其中对应第二挡板的位置，其后与通道出口保持恒定。

5.结论

本文采用有限体积法对分块通道内的湍流强迫对流进行了数值分析。根据讨论结果，主要确定如下:(我)隔板倾角的变化对传热和流动结构有很大影响。(2)当倾斜角度增加时，实现了通道的最大包容热传递;因此，挡板的倾斜可以是改善热交换器的热性能的有趣方法。(3)局部摩擦系数的分布受到倾斜角度的正影响φ_3.= 65°。

缩写

CFD:	计算流体动力学
CPU:	中央处理单元
DCB：	结合离散挡板
有限体积法:	有限体积法
LBM：	晶格玻尔兹曼方法
快速:	对流动力学的二次插值
简单:	压力连接方程的半隐式方法
:	管式热交换器

符号

Cf：	摩擦系数
Dh：	水力直径(米)
H：	航道高度，(m)
h：	挡板的高度，（m）
hx：	传热系数(W/m2·K)
k：	湍流动能
l：	通道的长度，（m）
l1：	通道进口到第一挡板的距离，(m)
l2：	两个挡板间距，(m)
l3.：	第二挡板与通道出口之间的距离，(m)
ν:	当地努塞尔特数
公关:	普朗特数，(Pr = 0.7)
问：	沿通道位置的热流
再保险:	雷诺数
T㈡：	入口温度，（k）
Tw：	壁温，（k）
T：	温度(K)
U在：	通道入口空气流速，(m/s)
U，V：	速度的笛卡儿分量(m/s)
U㈡：	入口速度，（m / s）
x，y：	尺寸笛卡尔坐标，(m)

希腊字母

ɛ：	湍流能量耗散率
τ：	剪切应力，（PA）
µt：	湍流粘度，（PA·S）
λf：	流体的导热系数，（W·m−1·K−1）
ρ：	空气密度(公斤/米3.）
φ：	倾斜角度(度)
φ.：	泛型变量
µ：	流体动态粘度，(Kg/m·s)
：	运动粘度，（m2/秒)
δ：	挡板厚度，(m)。

数据可用性

没有数据用于支持这项研究。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考

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