圆柱形腔内双组分溶液Rayleigh-Bénard对流三维数值模拟.doc

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:123484
圆柱形腔内双组分溶液
Rayleigh-Bénard对流三维数值模拟*国家自然科学基金资助项目()
李炳威李友荣
(重庆大学动力工程学院低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044)
(Tel: [phone], E-mail: ******@cqu.)
摘要:为了了解Rayleigh数和浮力比对圆柱形腔内双组分溶液Rayleigh-Bénard对流特性的影响,以质量分数为10%的异丙醇水溶液为工质、在浮力比N≥0条件下进行了三维数值模拟,结果表明:浮力比的增大会加强系统内的流动强度,强化系统的传热性能,并有可能使系统出现新的、更加复杂的流动结构。在双组分溶液Rayleigh-Bénard对流中,单纯增加Rayleigh数也能使系统内流动强度加强,使系统演变出新的流动结构,但新的流动结构出现是否使系统传热性能加强,则视新出现的流动结构而定。
关键词:混合流体;浮力比;热质对流
0 前言
混合流体的热质对流系统是一个同时存在着浓度梯度和温度梯度的扩散对流系统。浓度梯度和温度梯度的相互作用可以是呈相反方向的,也可以是呈相同方向的。正是由于两种梯度的共同作用,使得系统内出现复杂的流动结构。对于这种复杂的流动结构的形成机理的研究,有助于了解很多自然现象,如海洋流的形成和受污染空气的流动等,同时也为晶体制备、化学气体的沉积与干燥等工业生产过程提供理论依据。
近年来,已经有不少学者对不同条件下混合流体的热质扩散对流过程进行了研究,例如,Mamou[1]和Dilip[2]讨论了垂直温度梯度和浓度梯度作用下的二维矩形腔内的对流过程,Nishimura等[3]、Abidi[4]和Sezai等[5]研究了水平温度梯度和浓度梯度作用下矩形腔内的对流过程,Retiel等[6]讨论了径向温度梯度和浓度梯度作用下圆环形腔内的情形。另外,也有一些学者[7]对不规则的几何结构内的热质扩散对流进行了研究。所有研究结果都表明,系统的流动状态取决于浮力比N、瑞利数Ra、普朗特数Pr和刘易斯数Le。本文提供了一组垂直温度梯度和浓度梯度作用下圆柱形腔内双组分溶液Rayleigh-Bénard对流的数值模拟结果,重点关注Ra数和浮力比的影响。
1数学物理模型
物理模型如图1所示。圆柱腔半径为r0,深度为d,径深比A=r0/d=2。圆柱腔下壁面维持高温Th和浓度Ch,,垂直壁面绝热,并且物质不可渗透。流体为质量分数为10%的异丙醇水溶液[8],物性参数见表1,参考温度T0=,参考质量分数C0=。为简化起见,假定1) 流动为层流;2) 所有固壁表面满足无滑移条件;3) 忽略Soret效应;4
) 流体为不可压缩流体,在动量方程的浮力项中密度满足以下关系:
(1)
图1 物理模型
表1 10%异丙醇水溶液的物性参数
名称
数据
刘易斯数Le,-

普朗特数Pr,-

定压比热容cp,J/kgK

密度 r0,kg/m3

运动粘度n,m2/s
× 10-6
热膨胀系数 bT, 1/K
× 10-4
浓度膨胀系数bc,-
-
无