文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号:123517
局部热壁面多孔介质方腔内
自然对流的数值研究
马兵善,郭玉龙,王刚
(兰州理工大学土木工程学院,兰州 730050)
(Tel: 0931-2973784, E-mail: wang_g@)
摘要:本文对上下壁面绝热、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。在热壁面无量纲长度B= (B=b/L)的条件下,综合研究了左侧壁面受热部分中心距上壁面的无量纲长度D (D=d/L)、Da数、Ra数和孔隙率ε对腔体内自然对流换热的影响。数值计算结果表明:左侧壁面受热部分位置的不同对腔体内自然对流换热强度有很大的影响,,Nu数最大,自然对流换热强度最强;Da数、Ra数对腔体的自然对流换热影响较大,而孔隙率ε对换热的影响较小。
关键词:自然对流;多孔介质;方腔;数值模拟
0 前言
自然界中关于多孔介质的流动换热问题普遍存在。而在实际应用中,如物料干燥、化学堆积反应床、热能储存、电子设备冷却和太阳能利用等[1]这一类由热驱动引起的多孔介质内的流体流动换热现象具有的普遍性和广泛的应用价值受到了广泛的关注。对发生在多孔介质内的自然对流换热,Nield和Bejan[2]、Ingham和Pop[3, 4]、Pop和Ingham[5]与Vafai[6, 7]在他们的著作中均做了很好的阐述。近年来,许多学者也对局部热壁面腔体内的自然对流进行了研究,如Chu等[8]对二维层流封闭腔体内热壁面长度、位置、宽高比和边界条件进行了实验和数值研究。Ben Nasr等[9]对稳态局部加热和冷却壁面的封闭腔体内的自然对流进行了数值研究,得到了Nu数随Ra数变化的简化函数。Varol等[10]对局部热壁面的三角形腔体内纯流体的自然对流进行了数值研究,通过分析长宽比、局部热壁面的位置、长度和Ra数等对流动换热的影响,他们认为局部热壁面的位置是影响温度场和流场最重要的参数。Oztop和Abu-Nada [11]对充满纳米流体的局部热壁面矩形腔体内自然对流换热进行了数值研究。
对于局部热壁面位置对多孔介质腔体内自然对流换热影响的研究较少,因此对其进行研究有着重要的意义。本文采用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型和在局部热平衡假设的基础上,研究热壁面位置以及Da数、Ra数和ε对多孔介质方腔内自然对流换热的影响。
资助项目:甘肃省自然科学基金项目(1014RJZA030)
1物理问题描述与数值方法
如图1所示,方腔内充满均质、各项同性的饱和多孔介质,方腔的边长为L,方腔上下壁面绝热,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,右侧壁面维持相对较低的恒定温度Tc(Th>Tc)。采用局部热平衡假设,即认为固体骨架和流体的温度处处相等,利用Brinkman-Darcy-Forchheimer模型来描述多孔介质内的流动,同时引入Boussinesq假设来考虑自然对流效应。
图1 物理模型与坐标系统
对所研究的多孔介质腔体内二维不可压缩层流的稳态自然对流换热,其无量纲控制方程如下:
(1)
(2)
(3)
(4)
上述方程中所涉及到的无量纲量定义如下:
(5)