环境风下一侧全开式圆柱形腔体耦合热损失特性的数值模拟

摘要

腔体热损失机理在工程上的应用广泛,如太阳能热发电系统、飞行器的制动系统以及建筑节能等。对腔体热损失特性的研究不仅可以丰富热损失机理,还可以为实际工程应用中腔体的设计提供科学依据。
　　本课题在考虑物性变化的基础上,对环境风下一侧全开的圆柱形腔体耦合(导热、对流、辐射)热损失特性进行三维数值模拟,并将数值模拟过程与相关实验进行了对比验证。该研究分别在以下两种热边界条件下进行:全面加热(腔体底面和侧面均加以恒定热流,Case1);底面加热(腔体底面加以恒定热流,侧面绝热,Case2)。文中给出了可以直观反映腔体内部及开口附近流动和传热特性的可视化结果,如腔体内的温度分布云图、速度矢量图及开口面的速度等值线图等。同时探讨了相关参数如风速、风向角、腔体倾角和热流密度对腔体内耦合热损失特性的影响规律。相应地,在大量数值模拟结果的基础上,分别提出了在两种热边界条件下可预测给定参数范围内对流热损失和辐射热损失的努谢尔特数经验关联式。
　　研究表明,在两种热边界条件下,环境风均会对腔体内流动和传热特性产生重要影响,腔体内温度场和速度场都与无环境风条件下差异较大。有环境风条件下,对流热损失平均努谢尔特数Nuc总是大于相同条件下无环境风时的Nuc,而辐射热损失平均努谢尔特数Nur总是小于相同条件下无环境风时的Nur。与无环境风条件下对流热损失平均努谢尔特数Nuc和辐射热损失平均努谢尔特数Nur随腔体倾角的变化单调的变化不同,有环境风条件下对流热损失平均努谢尔特数Nuc和辐射热损失平均努谢尔特数Nur受到风向角、风速及腔体倾角等因素的综合影响,变化规律较复杂。在某些环境风条件下,腔体倾角一定时,存在临界风向角使对流热损失平均努谢尔特数Nuc和辐射热损失平均努谢尔特数Nur达到极值。此外,当φ=90°时,风速的大小决定了对流热损失平均努谢尔特数Nuc和辐射热损失平均努谢尔特数Nur的大小。
　　在两种热边界条件下热损失特性不同的是,在相同风向角、风速、腔体倾角以及热流密度下,全面加热时腔体内平均温度比底面加热时高,且全面加热时同一位置处的速度值比底面加热时大。只有底面加热时,腔体对流热损失百分比大于相同条件下全面加热时对流热损失百分比,而导热、辐射百分比小于全面加热时的相应值。