竖直通道内逆浮升力方向的混合对流传热研究

摘要

热力系统中，经常遇到流体在一个表面加热而另一个表面近似绝热的环形垂直通道内的混合对流传热情况。此问题浮升力对湍流和传热的影响是极其重要的。掌握混合对流和湍流的相互影响机理对精确计算垂直通道内的混合对流传热至关重要。本文从湍流运动的基本微分方程组出发，引出因瞬时参变量是随机的，无法用瞬时参变量来描述和解决流动问题，即基本方程组不封闭。为了解决这一问题，本文引入关于湍流的半经验理论——湍流模式理论，从而根据模式理论，补充新的微分方程使基本的微分方程组封闭。 解决了方程组的封闭问题，又带来了新的问题，就是今天还不能求解微分方程组的精确解，从而需要求解方程组的近似解以满足工程实际的需要。得到这种近似解就需要另一种半经验的公式，对微分方程组进行简化，这种半经验的公式就是湍流模型。 湍流模型不断发展，人们通过理论计算与实验对比发现，低雷诺数条件下，湍流动能与湍流耗散率涡粘性双方程模型可以用于求解很多工程问题。 因此，本论文应用LS低雷诺数湍流动能与湍流耗散率涡粘性双方程模型对竖直环形通道内壁加热、外壁绝热的逆浮升力方向流动的混合对流问题进行数值模拟求解，得到不同雷诺数条件下浮升力对于换热和速度的影响。计算结果与试验数据对比误差在很小的范围内（不超过5％）。从而得出结论，浮升力影响下竖直环形通道内的向下流动混合对流，虽然靠近加热壁面流体的流动受浮升力的阻碍，对流能力降低，流动速度也在一定程度上有所减小，但传热却总是被加强。