發(fā)布時(shí)間：2020-05-01 13:50

【摘要】：現(xiàn)階段,關(guān)于腔體內(nèi)自然對流換熱的研究大部分都集中在穩(wěn)態(tài)自然對流換熱,然而熱邊界條件隨時(shí)間變化的腔體內(nèi)非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱現(xiàn)象,在電子、生物、化學(xué)工程以及太陽能利用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景和意義。其次納米流體作為一種具有優(yōu)越傳熱性能的新型材料,正在逐步取代傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)。因此對于腔體內(nèi)納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱的研究必不可少。本文在熱源熱流隨時(shí)間振蕩條件下,對二維等腰三角形腔體內(nèi)Cu-水、Al_2O_3-水以及TiO_2-水納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱特性進(jìn)行數(shù)值研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)在底壁面局部熱源熱流隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化,左右斜壁面維持相對較低恒溫的條件下,采用數(shù)值模擬的方法,研究分析了瑞利數(shù)Ra、納米顆粒體積分?jǐn)?shù)φ、熱流振蕩的無量綱周期τ_p等相關(guān)參數(shù)以及納米顆粒種類(Cu、Al_2O_3以及TiO_2)對二維等腰三角形腔體內(nèi)納米流體的非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱特性的影響。結(jié)果表明,增加Ra數(shù)和納米顆粒體積分?jǐn)?shù),分別使三角形腔體內(nèi)浮升力提高以及流體有效傳熱系數(shù)增加,強(qiáng)化了腔體內(nèi)自然對流換熱,加速了熱量的傳遞,降低了熱源溫度。同時(shí)基液中添加納米粒子會(huì)降低周期內(nèi)熱源溫度的變化范圍。其次,等腰三角形腔體內(nèi)納米流體的非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱受到熱源熱流振蕩無量綱周期τ_p的影響。其中當(dāng)0.01≤t_p≤10時(shí),熱流振蕩的無量綱周期對熱源幾何平均努塞爾數(shù)和最大無量綱溫度的影響是十分顯著的。在此范圍內(nèi),隨著τ_p的增加,周期內(nèi)熱源的溫度變化范圍增加,熱源平均無量綱溫度呈線性增加。然而當(dāng)τ_p＞10時(shí),腔體內(nèi)自然對流換熱受熱流振蕩周期的影響可以忽略。最后相比于Al_2O_3與TiO_2納米顆粒,Cu納米顆粒具有較高導(dǎo)熱系數(shù),因此同等條件下腔體內(nèi)Cu-水納米流體具有更優(yōu)越的自然對流換熱性能。(2)在底壁面局部熱源熱流隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化,左右斜壁面維持相對較低恒溫的條件下,采用數(shù)值模擬的方法,研究分析了腔體高寬比、熱源位置以及熱源長度等幾何條件對二維等腰三角形腔體內(nèi)Cu-水納米流體自然對流換熱特性的影響。結(jié)果表明Ra數(shù)不同時(shí),二維等腰三角形腔體內(nèi)Cu-水納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱受腔體高寬比的影響出現(xiàn)差異。當(dāng)Ra=10~4時(shí),腔體高寬比的增加導(dǎo)致腔體內(nèi)熱量傳遞速率的降低;當(dāng)Ra=10~6時(shí),腔體高寬比的增加提高了腔體內(nèi)流體流動(dòng)的強(qiáng)度,自然對流換熱得到強(qiáng)化;當(dāng)Ra=10~5時(shí),在A=1~1.5之間存在最不利的腔體高寬比A值,使得腔體內(nèi)自然對流換熱效果最差。其次相比于底壁面其他位置,當(dāng)局部熱源位于底壁面中心時(shí),腔體內(nèi)熱量交換效率降低,自然對流換熱效果減弱,熱源溫度升高。并且相比于高Ra數(shù),低Ra數(shù)時(shí)腔體內(nèi)換熱速率受熱源位置的影響更明顯。同時(shí)隨著熱源長度的增加,熱源產(chǎn)生更多的熱量,導(dǎo)致熱源溫度升高,腔體內(nèi)浮升力增強(qiáng),流體流動(dòng)速度提高。然而當(dāng)熱源無量綱長度e0.6時(shí),腔體內(nèi)Cu-水納米流體自然對流受熱源長度的影響可忽略。隨著熱源長度的增加,周期內(nèi)熱源最大溫度升高,最低溫度降低,熱源具有更大的溫度變化范圍。同時(shí)發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)Cu-水納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱過程中,靠近腔體冷壁面的熱源端是熱源與流體發(fā)生自然對流最強(qiáng)烈的位置,也是熱量進(jìn)入腔體的主要位置,從而導(dǎo)致熱源的最高溫度出現(xiàn)在熱源中心位置。(3)在底壁面局部熱源熱流隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化,左右斜壁面維持相對較低恒溫的條件下,采用數(shù)值模擬的方法,研究分析了不同瑞利數(shù)Ra以及不同的熱源長度下,腔體傾斜角度對二維等腰三角形腔體內(nèi)Cu-水納米流體的非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱的影響。結(jié)果表明Ra數(shù)不同時(shí),腔體傾斜角度對腔體內(nèi)Cu-水納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱影響不同。主要表現(xiàn)在低Ra數(shù)時(shí),即Ra=10~4,腔體傾斜角度的變化對腔體內(nèi)Cu-水納米流體自然對流的影響可忽略。然而隨著Ra數(shù)的增加,腔體傾斜角度的增加促進(jìn)了腔體內(nèi)流體流動(dòng)增強(qiáng),腔體內(nèi)自然對流換熱得到了強(qiáng)化,熱源溫度降低。當(dāng)熱源長度較短時(shí),即無量綱熱源長度ε=0.2或ε=0.4,隨著腔體傾斜角度的增加,腔體內(nèi)流體的流動(dòng)增強(qiáng),自然對流換熱得到提升;當(dāng)熱源長度較長時(shí),即無量綱熱源長度ε=0.6或ε=0.8,高Ra數(shù)下0°~30°之間存在最不利的腔體傾斜角度δ,使得腔體內(nèi)Cu-水納米流體自然對流換熱減弱,熱量交換速率降低,熱源溫度升高。同時(shí)隨著腔體傾斜角度的增加,腔體內(nèi)流體與熱源左端之間熱量交換逐漸變得強(qiáng)烈,更多的熱量將從左側(cè)冷壁面?zhèn)鞒銮惑w。最后,對于所有的Ra數(shù)及熱源長度,當(dāng)腔體傾斜角度大于60°時(shí),腔體傾斜角度對腔體內(nèi)納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱影響不再明顯。
【圖文】：

所得數(shù)據(jù)與相關(guān)文獻(xiàn)值進(jìn)行比對，確保了數(shù)面局部熱源熱流隨時(shí)間按余弦規(guī)律變化，左形腔體內(nèi)納米流體的非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱進(jìn)體積分?jǐn)?shù) 、熱流振蕩變化的無量綱周期 p及 TiO2)對自然對流換熱特性的影響。學(xué)描述理模型如圖 2.1 所示，其中二維等腰三角形度為 w 的局部熱源，，熱源中心距離原點(diǎn) o 余弦規(guī)律變化，如公式 2.1 所示，左右斜壁絕熱。純水和納米顆粒的熱物理參數(shù)如表 2.p0'' ''2q1 costq t

(a) 無量綱時(shí)間迭代步長確定 (b) 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證圖 2.2 無量綱時(shí)間迭代步長確定與網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證2.3.2 計(jì)算程序驗(yàn)證為了驗(yàn)證計(jì)算程序的準(zhǔn)確性與可靠性，利用該程序求解文獻(xiàn)[9]關(guān)于熱源熱流隨時(shí)間變化條件下，方腔內(nèi) Cu-水納米流體非穩(wěn)態(tài)自然對流換熱問題。通過圖 2.3 的模擬結(jié)果對比，周期內(nèi)熱源壁面努塞爾數(shù) Num與文獻(xiàn)中的相應(yīng)值基本吻合。隨后，又利用計(jì)算程序求解文獻(xiàn)[61]中恒定熱源熱流下方腔內(nèi) Cu-水納米流體穩(wěn)態(tài)自然對流換熱問題，模擬結(jié)果如表 2.2 所示，通過數(shù)據(jù)的比對發(fā)現(xiàn)計(jì)算程序的準(zhǔn)確性與可靠性滿足要求。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK124

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