二维方腔非稳态自然对流数值模拟的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 2003年学术会议 编号：033138 二维方腔非稳态自然对流数值模拟研究 杨卫卫何雅玲徐超陶文铨 西安交通大学能源与动力工程学院、多相流国家重点实验室，陕西．西安，710049 Tel：029—266385 1．E-mail：yalinghe@mail．xjtu．edu．cn 擅要：本文对二维方腔中非稳态自然对流过程进行了数值研究，方腔一侧被等温冷却，另一侧受到三三 块热板脉动加热．热板温度满足两种不同规律，脉动周期0．01sT500s，脉动大小为OaO．40，所 研究的自然对流问题取Ra=10‘，工质为空气(Pr=0．70)．研究结果表明，冷板瞬态换热量与相应的稳 态的换热量有很大的差异．在一定条件下，冷板瞬态换热量以及周期平均换热量与热板温度脉动量成 一定线性比例关系，同时脉动周期对冷板的换热量也有很大的影响． 关键词：自然对流；脉动加热；数值模拟 1前言 方腔自然对流在工程领域中有着很普遍的应用，在过去的几十年中已得到广泛的研 究。然而多数的研究只是针对稳态的情况进行的。许多实际的应用中自然对流过程是瞬 态的过程，其边界条件随时间不断的发生变化，从而使得其过程复杂化。目前只有有限 的文献作了这方面的研究。Pattemon与ImbergerIU研究了上下面绝热，左右面温度由己 分别变化到五十AT和咒一△r时自然对流过程。Nicolette等121研究了自然对流方式的 非稳态冷却过程，其研究区域为二维方腔。一竖直面温度变化，其余三面绝热。Fu等”’ ”研究了方腔左面突然被等热流的加热“1或被等温加热“1两种情形下的非稳态自然对流 过程。上面的研究都是针对较为简单的情况进行的，实际工程中还有许多较为复杂的情 况，比如冰箱冷冻室，其蒸发器的温度经历了启动到周期性稳定变化的过程。Ling与 T抽pI就针对冰箱冷冻室进行了数值模拟，研究了蒸发器温度由启动发展到周期性变化的 自然对流过程，并且在模型中还考虑了辐射和气固耦合边界的影响。Lakhal等【61针对热 板温度脉动变化的二维方腔进行了研究，其结果表明脉动加热对自然对流换热有极大的 影响。 本文针对二维方腔中的非稳态自然对流过程进行数值研究，与上述研究不问的是方 腔左侧具有三块相同尺寸大小的热板，采用两种不同脉动方式加热，热板的厚度忽略不 计。研究结果表明脉动加热方式对自然对流换热有着重要的影响。 2问题及数学描述 2．1物理模型 本文中研究的方腔如图l(a)所示，方腔几何尺寸为工’鼠取U／-扫-I；右面为等温冷 面，温度为n；圈中阴影部分为绝热面；左面等间距地布置着三块加热板，温度满足如 图l(b)所示的正弦脉动加热方式瓦=％+(1+口sin2丌t／r)或者矩形脉动加热方式 L=瓦。+(1士d)· 基金项目：国家973重点基础研究发展规划资助项目(No．G2000026303)；国家自然科学基金资助 项耳 172 J - y ≥，g土 ， H ， r 兰 工 一 甘● (a)物理模型 (b)热扳和净扳沮度变化规律 圈1物理模型 2．2假设条件 数值模拟中．假设： (1)采用Boussinesq假设，以冷板温度尼为参考温度． (2)研究脉动大小和脉动频率对对流换热的影响时，采用稳态的场作为初始条件。 (3)AT=瓦一扎作为热板与冷板的平均温差． 2．3控制方程 连续方程：娑+娑：0． (1)