底部加热的低Prandtl数流体自然对流换热的分岔

本文用具有QUICK方案的SIMPLE算法对底部加热的低Prandtl数流体自然对流换热进行了数值计算,研究了这种流动与换热问题数值解的分岔问题。计算发现,在2200<Ra<5000区间数值解不唯一。当Ra≤2200时,流动和换热是稳态的和唯一的,最终的流场是稳定的4涡型流场。当Ra≥5000时,流动和换热是非稳态的,流场分别有5涡型的和4涡型的两种, 5涡型流场能够长期稳定地存在,但4涡型流场不会长期存在,当有足够的时间积累,会突然转变为5涡型流场。

低Prandtl数水平流体层自然对流的振荡和分歧

本文用具有QUICK方案的有限差分法对底部加热的低Prandtl数水平流体层自然对流换热进行了数值计算，研究了这种问题中存在的振荡和分歧问题。结果显示，在Ra的一定取值区间，有4涡型流场和5涡型流场两个解的分支。但在这个区间以外，最终的结果没有出现分歧。在所发现的两个解的分支中，问题由稳态转变为非稳态的临界Racr是不同的。

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数(Pr)流体热毛细对流演化过程,对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时,流动为轴对称稳态流动;当Marangoni数超过某一临界值后,流动失稳并转变为热流体波,其波数随Marangoni数增加而减小,而波动主频增大;随着Marangoni数增加,流动加强,沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波,其波数大大减小;当Marangoni数继续增加时,波动频谱曲线噪声增加,呈广谱特性.因此,在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.

具有水平流动的Rayleigh-Benard对流斑图

本文利用数值模拟,探讨了普朗特数Pr=0.0272时有水平流动的Rayleigh-Benard对流结构.当水平流动强度Re=0时,发现定常对流的多重稳定性.当Re ≠0时,Rayleigh-Benard(RB)对流中存在三种对流斑图.它们的出现依赖于水平流动强度Re和相对瑞利数r.与Pr=6.99相比,在Pr=0.0272时的行波具有不同的动力学特性.

低Pr数流体自然对流边界层流动的直接数值模拟

在太阳能采暖通风系统中,空气在太阳辐射作用下于吸热壁上所形成的非稳态自然对流边界层流动是决定系统热性能的关键所在.对于线性分层的低普郎特数(Pr<1)流体而言,标度分析表明在起始阶段边界层的发展是与高度无关而只依赖于时间的,而处于稳态时,各项标度关系与处于起始阶段终结时刻的大不相同,且都与高度和时间无关,而只与Pr数和线性分层度相关.直接数值模拟计算结果表明由标度分析所得的各项标度关系揭示了流动的特性参数与控制参数之间的决定性内在联系.但同时也表明标度关系并没有充分体现出对Pr数的所有依赖关系,这一不足可利用直接数值模拟计算结果得到弥补.

低Pr数流体非稳态自然对流流动的标度分析

施加了恒定热通量的竖直平板置于静止的均匀或线性分层流体中会在板壁上形成自然对流流动．它在达到稳态前将先历经起始和过渡两个阶段．而表征其瞬时流动特征的主要参数是壁温、热边界层厚度、内层和外层速度边界层厚度、边界层内竖直方向的最大速度、以及层流边界层发展达到稳态所需的时间．利用标度分析得到了均匀和线性分层低普郎特数(Pr＜1)流体沿恒定热通量竖直平板的非稳态自然对流流动在各个发展阶段的标度关系．

环形液池内低Pr数流体热毛细对流的线性稳定性

利用线性稳定性理论分析了低Pr数(Pr=0.011)流体在环形液池内的热毛细对流,以此了解环形液池内热毛细对流的转变特性。液池外壁被加热,内壁被冷却,底部固壁和顶部自由表面均绝热。结果表明,随着液池深宽比的增加,临界Marangoni数和临界波数都逐渐减小,且当液池深宽比超过0.12后,临界波数基本不变;随着液池内外半径比的增加,临界Marangoni数会逐渐减小,但变化幅度不大,而临界波数有一个大的增加。

三角形棒束内铅铋湍流普朗特数模型研究

为准确预测低普朗特数流体在燃料组件棒束子通道内的传热特性,需选取合适的湍流普朗特数模型。针对5种不同的湍流普朗特数模型,基于三角形棒束换热关联式,研究采用剪切应力传输(Shear Stress Transfer,SST)k-ω湍流模型,分析不同的棒束子通道结构,并与液态铅铋实验验证的换热关联式计算结果进行对比,分析不同棒径与节径比条件下各种湍流普朗特数模型的适用性。分析研究结果表明,整体湍流普朗特数模型不仅与雷诺数Re、贝克莱数Pe有关,还与节径比P/D有关;在节径比1.3~1.7范围内Kays学者提出的局部湍流普朗特数模型模拟结果与Mikityuk关系式计算值较为吻合;各种湍流普朗特数模型均有最佳的节径比适用范围。因此,相关模型能够用于不同节径比条件下三角形棒束子通道内铅铋传热特性的预测。

微重力条件下开口矩形容器的小Pr热毛细对流

采用数值方法研究了微重力条件下开口矩形容器内小 Prandtl数镓 (Ga)熔体生长过程中定常热毛细对流 ,讨论了 Re数、几何纵横比 A和侧壁外加温差的相对高度 H对熔体内温度场和流场分布的影响 .计算结果表明 ,热毛细对流对熔体温度分布有明显的影响 ,从而影响着晶体生长过程 .自由面两侧温度差很小 (如 0 .1K)时 ,熔体内温度场将发生变化 ;当温度差增加即 Re数增加时 ,热毛细对流加强 ,对流和扩散相互作用导致温度场分布更加不均匀 .无论多小的 H值 ,若自由面存在温差 ,都会驱动热毛细对流 ;随着 H值增加 ,热毛细对流会扩展到整个熔区 .几何纵横比 A对熔体内温度场和流场也有影响 ,当 A比较大时 ,在固 /液界面附近扩散起主导作用 .

大涡模拟研究液态金属在环形管道内的湍流换热

使用大涡模拟方法,在雷诺数为Re=8 900和分子普朗特数Pr=0.01,0.026,0.2,0.4,0.71条件下对环形管道内的湍流对流换热过程进行数值模拟,计算分析湍流传热场中的平均温度、温度脉动、湍流热通量及湍流普朗特数Prt等物理量.通过与传统流体(Pr=0.4,0.71)的计算结果进行比较,研究了液态金属流体(Pr=0.01,0.026)的湍流对流换热特性.结果表明,液态金属流体湍流换热过程中分子热传导占主导地位,其湍流温度边界层内的线性区变长、对数律区变短甚至消失,温度脉动、湍流热通量变小.此外,相对于传统流体,液态金属的湍流普朗特数Prt比较大,且对Pr的变化很敏感.

板翅式换热器平直翅片的数值模拟

利用CFD的方法建立了简单、准确计算板翅式换热器平直翅片在层流和湍流区域性能的数值模型。在湍流区域使用低雷诺数湍流模型来替代壁面函数的方法,f因子的平均绝对误差从22.7%降低到7.9%;并用湍流普朗特数模型代替FLUENT软件中默认的湍流普朗特数常量(0.85)使得j因子平均绝对误差从17.9%降低到6.9%;通过以上两个措施使得CFD方法能够更准确预测平直翅片性能。对18种具有不同几何结构参数的平直翅片进行数值模拟;计算结果表明:翅片间距、高度对性能有较大影响而翅片厚度影响较小。同时,回归了j和f因子关联式。

平直翅片的数值模拟及结构改进

利用CFD方法建立计算平直翅片性能的数值模型。为准确模拟湍流区域翅片j和f因子,采用低雷诺数湍流模型;通过UDF方法用Prt(湍流普朗特数)模型替代FLUENT软件中默认值(0.85)。计算结果表明:计算j和f因子与实验结果的平均绝对误差分别为6.72%和6.47%。在流动方向的任意横截面上,翅片中心处温度最低,且随着雷诺数增大而降低。翅片中心处与进口流体温差比上下板与进口流体温差低5%~18%。为强化翅片与上(下)板接触区域传热,间隔切除部分翅片,j因子增大2.76%~12.44%,而f因子保持不变。