复杂方腔内自然对流换热数值模拟分析.pdf

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第27卷第2期
能源技术
Vol 27 No. 2
2006年4月
ENERGY TECHNOLOGY
006
研究与探家
复杂方腔内自然对流换热数值模拟分析
维花',李是2罗争峰
(1.青岛平度建工设计文件审查中心,山东266700;
2.山东建筑工程学院热能学院,山东2500003.上海科学院,上海200235)
摘要:对一个内有绝热障碍物的复杂方腔的自然对流换热问题进行了数值计算分析,采用
SIMPLE算法,运用类似处理孤岛的方法成功地处理了方腔内部的障碍物,并在此基础之上,对不
同高度的障碍物和不同Ra数的方腔内的自然对流换热进行了模拟计算。计算结果表明障碍物的
高度和Ra数对流动换热有着重要影响,但其影响对冷热壁面不一样。
关键词:自然対流;数值摸拟; SIMPLE
中四分类号:TK12
文献标识码:A文章编号:1005-7439(2006}02-0047-05
A Numerical Analysis of the Natural Convection Heat transfer
of air in a complex square
(1. Censor center of architecture engineering, pingdu, qingdao, Shandong 266700, China
2. Shandong Ijniversity of Architecture and Engineering, Shandong 25000000, China
3. Shanghai Academy of Science and Technology, Shanghai 200235, China)
Absiract: ]n this paper a numerical analysis of the natural convection heat transfer of air in a complex square
cavity is presented. The numcrical analysis mcthod is SIMPLE. The insulated obstacle in the cavity is simulated
ucccasfully by the isolated island method. (therwise, the natural convection hcat transfer processes are simulate
under the conditions of different Rayleigh number and different height of obstacle. It found that the Rayleigh number
and height of obstacle have different influence on the heat transfcr through the heat and cool wall.
Keywords: Natural Convection; Numerical Simulation; SIMILE
引言
封闭空腔内的自然对流换热是数值传热学里的
经典课题,这种流动属于作用在密度梯度上的体积
力引起的一种浮力诱发运动,而密度梯度本身又因
为流体里的质量浓度梯度与温度度或二者之一所
引起,其所描述的现象在许多工程实践中都能遇
到。因此精确分析各种条件下的封闭空腔内的自然
对流换热问题貝有重要的实用价值。
?1描述了一个复杂方腔内的自然对流换热问
販。方腔长度为L,左边界为恒定温度T,右边界
图1复杂方腔
恒定温度T,上下边绝热,内部障得物高压且是绝采用 Boussines假设。该假设由三部分组成:①
热的。在进行封闭方腔内自然对流换热的数值计算流体中的粘性耗散项略而不计;②除密度外其他物
时,为了方便处理由于温差而引起的浮升力项,往往
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吕花等:复杂方腔内自然对流挑热數值模分析
性参数均为常数;(③密度也仅考虑动量方程中与体
a(tv)
积力有关的项,其余各项中的密度也作常数处理
ax tar -axit ay tcre
以较低温度作为参考温度,则重力项中的密度为
a(Utter
a(o
1/0」a
PraX2「aYz
))
(4)
式中:a为与温度对应的流体密度,α为体积膨
边界条件为:
胀系数。
x=0,U=V=0,@=1
2数学模型
x=1,=V=0,9=0
引用上述假设,稳态自然对流问题的控制微分
Y=0,UU=V=0,
(5)
方程组成为
8
div (oii)=0
ay
( A grad
2
在障碍物处也有U=V=0,a8/aX=0。可以
O
看出自然对流问题只受 Grashof数和 Randt!数的
マ?(pv)=マ?( u grad v)_92_(2)
O As
形响。
マ?(oaT)=div( grad T
数值方法
式中一速度矢量,m/sy
本文采用有限容积法(FVM)进行数值计算,
r…-一温度,K;
采用B类网格划分即先定控制容积面,再定结
一一压カ,kPa;
点,采用乘方格式离散2,压力与速度耦合的动量
ル-一流体动力粘性系数,kg/(ms);
方程运用 SIMPLビ算法。
入ー一流体导热系数,kW/(
本課题难点在于如何处理立在底边的障碍物
C,一流体定压比热,kJ/(kg?K
对于流固梱合的问题,在采用整场离散、整场求解
就图⊥所示具体问题相应的边界条件为:
时,对于与计算边界相邻接的固体区域可以采用把
x=0,t==0,T=1
固体区作为粘性无限大的流体区的方法来保证固体
0,T=T1
区中速度为零,当囝体区位于流场中间而不与计算
3)边界相连时应当采用所谓孤岛的处理方法に。本文
通过数值模拟发现处理与计算边界相邻接的障碍物
T
时,采用类似孤岛处理的方法,也可达到相同的效
且在障碍物处也是固壁粘附条件,温度是绝热
果。说明该处理手段并不只限于处理孤立物体,而
条件。为了便于分析,将上述控制方程和边界条件是一种通用性很强的处理流固耦合问题的方法。该
无量纲化,采用如下无量纲量。
方法具体实施步骤如下:①在每一层次的迭代计算
前令障碍物区的速度U和V为零,这样可保证对障
Y
碍物附近的节点速度起到滞止的作用;②在求解速
度的方程时令障碍物紅的离散方程的主对角线上的
TA-II
系数为一个很大值,如1035,这样算出来的速度估计
(十Ey)L
值丁“和V等于;③再令障碍物区的速度修正
公式里的系数d。,dn取一个很小值,如10~3,这样
G=eと(T-T)
速度修正值也为零
代入控制方程和边界条件得到
关于障碍物绝热的边界条件,采用的是使障碍
物和其邻近的流体温差等于零的方法。即在每一层
au av
ax or
次迭代计算前,令