具有内热源的封闭腔内湍流自然对流与壁面辐射耦合传热研究

摘要

封闭腔内湍流自然对流有着广泛的工程应用背景，它是一个伴随着流体流动与热量传递的过程。本文采用实验与数值模拟结合的方法，重点研究了封闭腔内空气湍流自然对流在不同物理几何条件下的传热过程中相关参数的变化规律，对其流动与传热特性进行了分析，以期获得能提高封闭空间内电子元器件冷却效率并指导其结构优化设计等工程实际问题的规律性成果。
　　首先，采用IFA300恒温式热线风速仪和T型热电偶对封闭腔内空气湍流自然对流进行了初步测试，主要获得了腔内热壁面边界层内的竖向平均速度和平均温度分布规律。实验结果表明:热壁面上温度边界层外温度稳定值沿壁面向上逐渐上升，且速度边界层和温度边界层随壁面高度的增加逐渐变厚。
　　其次，采用ANSYS FLUENT数值模拟软件对与实验测试封闭腔截面尺寸相同的二维封闭腔内空气湍流自然对流进行了数值模拟，计算利用RNG k-ε模型并采用Boussinesq假设，获得了流场与温度场等信息，并与本文实验结果和文献实验结果分别进行了对比。结果表明:所用数值计算方法获得的平均温度与平均速度与文献实验数据吻合良好，边界层内的平均竖向速度以及平均温度变化趋势与本文实验的测试结果相一致，并且其速度边界层和温度边界层厚度也与实验结果相当。
　　最后，采用RNG k-ε模型与DO辐射模型分别计算了Ra=1.58×109的二维与三维含内热源封闭腔内湍流自然对流与壁面辐射耦合传热问题，主要获得了准定常阶段腔内的流函数场、温度场、平均速度、平均温度、Nu数、壁面剪切应力、脉动速度均方根、脉动温度均方根以及湍流黏度等参数的分布规律，并对非稳态传热时间、水平面边界条件、壁面发射率、热源位置以及三维条件对其流动与传热特性的影响进行了分析。研究结果表明:对于本文计算模型，二维与三维湍流自然对流非稳态传热过程在t=250s时均逐渐进入准定常阶段，当t=1000s时二维封闭腔传热与流动都完全达到准定常阶段;壁面辐射减弱了水平面热边界对流场结构与温度场结构的影响作用，补偿了部分因水平面导热向外散失的热量并略微加速了沿腔体水平面的流动;对于热源壁面、热壁面和冷壁面的平均Nu数的计算结果，当水平面导热时考壁面虑辐射与不考壁面虑辐射相比分别增加了39.5％、80.1％和55.1％，当水平面绝热时考虑壁面辐射与不考虑壁面辐射相比则分别增加了41.2％、89.3％和50.2％，因而无论水平面绝热与否，壁面辐射均使得热源壁面的传热量和冷、热壁面的传热量大幅提升;当壁面发射率变化时，对于热源壁面、热壁面和冷壁面的平均Nu数，ε=0.6时的计算结果与ε=0.3时相比分别增加了30.38％、54.5％和39.18％，ε=0.9时的计算结果与ε=0.3时相比分别增加了63％、127.3％和85.12％;因此壁面发射率越大，壁面辐射传热引起的传热量越大，并且热壁面上传热量增加的幅度最大，冷壁面和热源壁面次之;热源从x0=0.15m向x0=0.6m的位置移动时，冷壁面的平均Nu数和热源壁面的平均Nu数分别增大了1.1％和1.7％，而热壁面平均Nu数在x0=0.225m处取得最大值39.87，说明冷壁面的传热量和热源壁面的传热量随x0不断增加，而热源壁面的传热量先增大后减小（在x0=0.225m处最大）;由三维方腔模型计算结果得知，温度场与流场在z方向上是以热源为中心的对称结构，热源上方的热羽流作用与二维相比更加明显;三维封闭腔内冷壁面的传热量和热源壁面的传热量均大幅减小，而热壁面的传热量减小幅度较小，具体表现为热壁面与冷壁面的平均Nu数的三维计算结果（面积分平均）与二维结果（线积分平均）相比分别降低了5.8％和52.4％，热源表面平均Nu数减小了68.9％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景

1．3 研究目的及意义

1．4 国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．5 研究内容

2 封闭腔内空气湍流自然对流实验研究

2．1 自然对流基本理论

2．1．1 自然对流概念

2．1．2 自然对流边界层描述

2．2 实验测试系统介绍

2．2．1 实验台

2．2．2 热线风速仪原理及特点

2．2．3 IFA300操作软件

2．3 实验步骤

2．3．1 热电偶的制作与标定

2．3．2 热线风速仪探针的标定(Calibration)

2．3．3 测点布置

2．4 实验结果与分析

2．5 本章小结

3 封闭腔内空气湍流自然对流换热的数值研究

3．1 计算流体力学基础

3．1．1 计算流体力学的概念

3．1．2 计算流体力学的优点

3．1．3 计算流体力学问题的求解步骤

3．2 数值求解方法

3．2．1 控制方程

3．2．2 湍流模型

3．2．3 控制方程的离散及亚松弛因子设置

3．2．4 代数方程的求解

3．3 物理模型及边界条件

3．4 网格的划分及网格度量

3．4．1 网格划分方法

3．4．2 网格质量

3．4．3 网格独立性验证

3．5 时间步长验证

3．6 数值方法验证

3．7 计算结果及分析

3．8 本章小结

4 含内热源的封闭腔内空气湍流自然对流耦合传热

4．1 物理模型及边界条件

4．2 网格划分及独立性验证

4．3 辐射模型

4．4 计算结果及分析

4．4．1 耦合传热瞬态过程分析

4．4．2 水平面热边界条件以及壁面辐射的影响

4．4．3 腔体内壁面发射率的影响

4．4．4 热源在底面不同位置的影响

4．4．5 含内热源的三维封闭腔内辐射-对流耦合作用分析

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

攻读学位期间的研究成果