相界面与对流换热间相互作用的数值模拟

摘要

固液相变问题发生在很多自然现象和工程生产过程中,又是制冷领域中冰蓄冷技术的重要研究课题.研究相变机理和融化界面的运动轨迹对工业生产和工程应用有重要的实际意义,多年来引起了各国学者的关注.在理论上,移动界面的追踪问题是计算流体力学中一项具有重大意义和富于挑战性的研究工作.本文采用贴体坐标下移动网格技术分析了具有移动界面的流动融化传热问题,阐述了移动网格法处理这类问题的通用解法及其步骤,介绍了使用移动网格技术的优点和不足.文中流场的计算采用控制容积法,控制方程扩散项的离散采用中心差分法,对流项采用QUICK格式,速度场和压力场的耦合用比较成熟的SIMPLE算法.利用动量插值方法解决了同位网格中锯齿形压力场.利用空间守恒定律处理网格移动时对雅克比数进行了更新,这样能够克服由于网格移动产生的人工质量源带来的计算不稳定的问题,并且保证计算精度.文章先后计算了经典Stefan问题、流场中圆柱绕流问题、球体绕流问题,分别得出了融化规律曲线、平均和局部Nusselt数变化曲线、温度场和速度场的变化规律曲线.结果表明:对于经典方冰融化(Stefan)问题,由于自然对流的存在,液相区等温线沿y轴从上到下温度梯度略微增加后逐渐减小,在0.7-0.8l处达到最大,这一数值上的差别引起热量传递的不均匀和固液边界的非线性融化.对于流场中的冰柱与冰球绕流问题,分析了不同雷诺数对流场、温度场、压力场以及换热系数的影响.在不同的雷诺数下,由于对流的作用,流体绕流使冰柱(球)不断融化,冰柱(球)的迎流方向的融化速度大于背流方向;在迎流点开始150度左右处开始出现旋涡,随着Re数的增加,旋涡出现的位置不断上升,融化速度不断加快;比较冰柱与冰球的融化规律和流场分布,发现冰球的临界雷诺数要大于冰柱.分析表明,移动网格法计算得到结果与实验及其他方法计算得到的结果吻合的比较好,可以比较有效地处理非稳态固液相变问题,对其他方法的研究有一定借鉴意义.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明

引 言

1绪论

1.1前言

1.2移动界面问题的提出

1.3移动界面问题的特点

1.4移动界面追踪方法综述

1.4.1格子类方法

1.4.2 VOF法

1.4.3 Level Set方法

1.5本文要解决的问题

2固液相变问题主流场控制方程的求解

2.1基本控制方程

2.2数值传热学中常用的数值方法

2.3网格生成技术

2.4主流场的数值模拟以及程序校验

2.4.1区域的离散与适体坐标网格生成

2.4.2控制方程的转换及其离散

2.4.3程序的编写

2.4.4程序的校验

2.5 小结

3移动网格法对相变界面的数值追踪

3.1固液相变界面能量平衡方程

3.2空间守恒定律和雅克比数的更新

3.2.1空间守恒定律

3.2.2雅克比数的更新

3.2.3验证空间守恒定律的算例

3.3 QUICK格式的运用

3.4小结

4固液相变问题的数值模拟

4.1方冰融化过程的数值模拟

4.1.1固液相变边界条件的处理

4.1.2物理边界条件的确定

4.1.3计算结果及分析

4.2冰柱在竖直来流条件下融化过程的数值模拟

4.2.1固液相变边界条件的处理

4.2.2边界条件的确定及网格划分

4.2.3计算结果及分析

4.3冰球在竖直通道内的运动规律数值模拟

4.3.1边界条件和物理模型

4.3.2数值计算结果与分析

4.4 小结

5结论与展望

5.1结论

5.2有待于深入研究的问题

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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