基于壁面均匀热流的部分开口式圆柱形腔体耦合热损失特性的数值模拟

摘要

开口腔体热损失特性的研究广泛应用于太阳能吸热器、电子器件的冷却、家用节能冰箱和建筑节能等一些工程领域。腔体的各项热损失，主要包括腔体内表面的辐射热损失、腔体内壁与采光口处空气的对流热损失以及腔体保温层外壁面与环境的导热热损失。分析计算这些热损失对提高腔体热性能尤为重要。
　　本课题以开口圆柱形腔体为研究对象，在恒热流的加热条件下，采用三维数值模拟方法研究了在两种加热边界条件下考虑腔体通过保温层的导热热损失时腔体内辐射与对流的耦合热损失特性，并将数值模拟过程与相关实验进行了对比验证。两种加热边界条件分别为：全面加热(腔体底面和侧面均被均匀热流加热，Case1)；侧面加热(Case2)。通过可视化结果如腔体中心对称面的温度分布云图、速度矢量图及开口面的速度等值线图等反映了腔体内部及其周围空气的流动和传热特性。同时基于空气的变物性探讨了相关参数，如开口率AR、腔体倾角φ、发射率ε及热流密度q对腔体耦合热损失的影响规律。另外，在大量数值模拟结果的基础上分别提出了两种加热边界条件下给定参数范围内具有实用价值的辐射热损失和对流热损失的平均努谢尔特数经验关系式。
　　研究表明，在两种加热边界条件下，腔体辐射热损失与对流热损失特性随相关参数的变化有着相同的变化规律。开口率一定时，当腔体倾角从0°增大到90°时，腔体辐射热损失平均努谢尔特数Nur逐渐增大，而腔体对流热损失平均努谢尔特数Nuc急剧减小；热流密度一定时，腔体辐射热损失平均努谢尔特数Nur与对流热损失平均努谢尔特数Nuc均随着开口率的增大而增大；倾角一定时，随着热流密度的增大，腔体辐射热损失平均努谢尔特数Nur快速增大而对流热损失平均努谢尔特数Nuc缓慢增大；腔体辐射热损失平均努谢尔特数Nur及对流热损失平均努谢尔特数Nuc随发射率的变化规律在0-0.3之间与0.3-1之间不同。
　　不同之处在于，在相同热流密度、开口率、倾角及发射率下，侧面加热时腔体内温度分布相对更均匀，而全面加热时腔体内平均壁温及开口面同一位置处的速度值都要比侧面加热时大。全面加热时的导热热损失及辐射热损失所占百分比要比侧面加热时的大，而侧面加热时的对流热损失所占百分比要比全面加热时的大。值得注意的是，当φ=90o，全面加热时，无论开口率和热流密度怎么变化，腔体对流热损失平均努谢尔特数Nuc都在一个较小值附近变化，而在侧面加热时，腔体Nuc随着开口率和热流密度的增大依然有较小幅度的增加。

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主要符号表

1 绪 论

1.1研究背景

1.2恒壁温热边界条件下腔体热损失特性研究现状

1.3 恒热流热边界条件下腔体热损失特性研究现状

1.4考虑壁面辐射时腔体耦合热损失特性研究现状

1.5研究目的与研究内容

2 物理数学模型

2.1物理和数学模型

2.2数值方法

2.3 网格无关性验证

2.4 模型验证

3 全面加热工况数值模拟结果及分析

3.1温度及速度分布

3.2不同参数对辐射热损失及对流热损失平均努谢尔特数的影响

3.3全面加热工况各项热损失百分比

3.4 全面加热工况对流和辐射热损失平均努谢尔特数关联式

3.5 本章小结

4 侧面加热工况数值模拟结果及分析

4.1 温度及速度分布云图

4.2不同参数对辐射热损失及对流热损失平均努谢尔特数的影响

4.3 全面加热工况与侧面加热工况各项热损失百分比比较

4.4 侧面加热工况对流和辐射热损失平均努谢尔特数关联式

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附 录