多开口方腔内自然对流的流动与传热特性

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第4期王长宏等:多开口方腔内自然对流的流动与传热特性·831·
引言
研究多开口方腔内的自然对流,在建筑室内通风与节能、楼梯井火灾的传播、电子元件的冷却、微电子先进封装电镀过程的热一质传递以及许多化工过程中换热设备的节能等领域都具有广泛的应用与重要意义[1~3。

与封闭方腔内的流体流动相比较,开口方腔内的流体由于受腔内、外流体密度及腔体各种物理参数影响,使得流体流动规律更具复杂性。

所以,掌握方腔内流体的流动与换热特性是优化工程设计参数的有效途径。

自20世纪80年代始,开口方腔内的自然对流问题就引起了国内外研究者的注意。

其中,Andersen[51假设方腔为内部流体充分混合、密度是统一的单区域,并从理论上推导了其内部流体的流动状况;Miyamoto等[6卅把单区域模型发展为双区域模型,通过理论推导和小规模的实验验证分析流体流动特性与物理参数的关系;Li等[9以11改进前人的模型,并研究多层次开口与中和面位置的关系。

Awbi等[12。

”1采用数值模拟方法研究区域内流体流动规律。

本文以三开口方腔模型作为研究对象,热源驱动流体流动,因此流体密度随温度线性变化,通过CFD模拟计算,分析比较开口方腔内不同热源强度下4种通风模式的气流流动特性和换热规律。

1理论模型与求解
1.1物理模型
为了研究开口方腔内热源驱动的流体流动,在如图1所示边长为H的方腔内,左右边界上共开设3个开口,分别为顶部开口U0(upperopen—ing)、中部开口M0(middleopening)、P底部开口

L——+j卜—一
图1三开口方腔物理模型
Fig.1PhysicalmodelofenclosurewithpartialopeningsBO(bottomopening);开口长度均为H/IO,开口处的空气温度与外界温度相等,均为To,开口的流动参数由数值计算决定。

除开口与热源以外的部分均可视为绝热固体壁面。

线热源的尺度及其类型对气流流动范围存在影响,但对流体流动规律影响不大,所以本模型选择热源位于底部中心位置,长度为z/H=0.5,温度为Th。

本文主要研究了4种不同的开口通风模式,其通风模式及开口位置如图2所示。

图2开口方腔通风模式
Fig.2Ventilationmodesofenclosure
withpartialopenings
1.2数学模型
假定研究的自然对流流体为不可压缩、二维、层流,稳态;气流的热物性参数均视为常数,但密度随温度变化并遵循Boussinesq假设m].根据以上两条假设,得到自然对流的量纲1控制方程
一3U十一avaxaY—O(1)去(uu)+壶(yL,)一一孺aP+P}(乃a2FU+襄等)(2)去(Ⅲ)+品(w)=一蓦+Pr(筹+茅+RAPrT
(3)去(U丁)+品(w)一祭+筝(4)上述控制方程(1)~(4)中分别采用H、“。

、At=Th—To作为长度、速度和温度的量纲特征尺度。

其中,(X,y)=(z,Y)/H,(【,,V>=(“,v)/u。

,P=p/pu:,T=(T—To)/At分别是量纲1坐标、速度、压力和温度。

热源强度Rayleigh数Ra=gpAtH3/姬,物性参数Prandtl数Pr=v/a,
均为量纲1控制参数。

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第4期王长宏等:多开口方腔内自然对流的流动与传热特性·833·2.2热源强度Ra变化
热源温度与开口处空气温度的差是方腔内流体
流动的驱动力。

研究中对MO在固定位置下不同
热源强度(Ra=103~106)的情况都进行了模拟
计算,并选取几个位置的结果以揭示其规律,见图
4。

方腔内热源强度Ra的增大使流体流动更剧烈,
加速热源表面的换热。

Ra越大,Nu越大,则换
热效果越好。

当活动开口M0设置在靠近底部
(h/H=0.15),热源强度非常大(Ra=106)时,
模式l、模式3的换热效果都略优于模式2和模式
4;当活动开口MO设置在靠近中部(h/H一0.5)
时,模式2、模式4的换热能力与模式1、模式3
有细微差别;当活动开口M0设置在靠近顶部
(h/H=0.85)时,4种情况的换热效果相当,’均
随着热源强度的增强而增强。

方腔内的有效通风量
Q随Ra的增大而增大。

在热源Ra=106时,活动
开口Mo位于.}l/H一0.15、0.50位置上,模式1
和模式3的有效通风量Q]最大;而M0位于h/H=
0.85位置时,模式2的有效通风量略大于其他通
风方式。

由此可见,4种通风模式的换热量与有效
通风量随热源的变化大小和规律是统一的,而在热
源一定的情况下,通风方式对换热能力Nu和有效
通风量Q的影响不是太大。

2.3活动开口MO位置变化
考虑活动开口M0高度变化的影响,总结了4
种不同通风模式下的流动变化规律如图5所示。


中代表换热能力的Nu和Q,并不是随着MO高度图4热源换热性能平均Nu。

It数、量纲1有效
上升单调递增或者递减,而是随着M0靠近底部通风量随热源强度Rd变化
Fig.4EffectofMOpositionandRaheat
transferanddimensionlessventilationflowrate
和顶部递增,在靠近中部时出现最小值。

模式2中
^/H一0.05、^/H=0.95,模式3中^/H一0.95
以及模式4中h/H=0.05均属于活动开口M0与
固定开口(BO或UO)重叠的情况,总开口面积
由0.3减少至0.2,因此会削弱换热能力和减少有
效通风量。

当热源强度Ra=103时[图5(a)],当MO
位于h/H=O.15,模式1及模式3的Nu出现最大
值,换热能力比其他通风方式、MO在任何位置的
情况都要强;当MO位于IIl/H=0.65时,4种情
况的Nu均达到最小值,即换热效果都最差。

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·834·化工学报第59卷当Ra=104时,换热效果最好的通风方式是
模式4的MO位于h/H=0.15的情况;而模式1
和模式3分别在h/H一0.50、0.45的中间开口的
情况下热源换热能力最差。

同时,从模式3的曲线
可以看出设置3个开口(h/H=0.45)的换热效果
比2个开口(h/H一0.95)还差得多,即开口总面
积的增大并不一定对换热有利。

当Ra一105时,换
热效果最好的情况同时出现在MO位于顶端的位置
上,即出口的总面积(UO+MO)为进口(BO)的
2倍;而换热效果最差的情况出现在模式2中
h/H=O.15的位置,该处进口的总面积(B0+MO)
为出口(U0)的2倍。

也就是说,增大模式2的进
口面积使流体的流速大大降低,因而降低换热能力。

当na106时,模式1和模式3中h/H=0.15的位
置处热源的换热能力是最强,而在模式2和模式4
中h/H=O.25的位置上热源的Nu达到最小值。

图5热源换热性能、有效通风量随活动
开口高度h/H的变化
Fig.5Heattransferanddimensionlessventilation
flowrateofvariedMOposition
有效通风量Q与表征换热能力的Nu的变化趋
势基本相同(图5),即活动开口M0越靠近顶端
(UO)或底端(B0),有效通风量Q越大。

当MO
(JIl=o.15,0.85)与BO或U0邻近形成一个2倍
大开口时,无论是作为进口还是出口,通风量Q都
达到最大值;且增大出口面积比进口面积更有利于
增大通风量Q。

但是,当热源强度很强的时候
(R口=106),模式1和模式3在位于h/H=O:25的
位置时,即增大进口面积,有效通风量比其他情况
都要大。

MO在中部时有效通风量臼出现最小值, 万方数据
 万方数据
多开口方腔内自然对流的流动与传热特性
作者:王长宏, 朱冬生, 吕琪铭, 涂善东, WANG Changhong, ZHU Dongsheng, L(U) Qiming , TU Shandong
作者单位:王长宏,WANG Changhong(华南理工大学化工与能源学院传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640), 朱冬生,ZHU Dongsheng(华南理工大学化工与能源学院传热强化与
过程节能教育部重点实验室,广东,广州,510640;华东理工大学机械与动力工程学院,上海
,200237), 吕琪铭,L(U) Qiming(广东省冶金建筑设计研究院,广东,广州,510080), 涂善
东,TU Shandong(华东理工大学机械与动力工程学院,上海,200237)
刊名:
化工学报
英文刊名:JOURNAL OF CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING(CHINA)
年,卷(期):2008,59(4)
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2.蒋翔;朱冬生;唐广栋Effect of inlet-air velocity distribution on performance of evaporative condenser[期刊论文]-华南理工大学学报(自然科学版) 2006(08)
3.Gladstone C;Woods A W On buoyancy driven natural ventilation of a room with a heated floor[外文期刊] 2001(0)
4.Li Yuguo Buoyancy-driven natural ventilation in a thermally stratified one-zone building 2000
5.周萍;周乃君;蒋爱华传递过程原理及其数值仿真 2006
6.Patankar S V Numerical Heat Transfer and Fluid Flow 1984
7.Awbi H B Scale effect in room airflow studies 1990(03)
8.邓启红Modeling and characteristic indoor air convection 2003
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本文链接:/Periodical_hgxb200804005.aspx。

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