梯形截面通道不对称加热时热力性能三维数值模拟

摘要

由于梯形截面通道的换热广泛存在于工程应用中，例如水冷系统。近年来已有相关学者对梯形截面通道内的流动和传热特性进行了广泛的数值模拟和实验研究。目前对梯形截面通道的热力性能进行的研究，都是针对梯形截面通道内层流和湍流四面加热对流换热特性的研究。而有关梯形截面通道不对称加热时的对流换热性能研究还未见相关文献报道，因此本课题的研究具有重要的理论意义和广阔的应用前景。
　　 本文在有关非圆形截面通道内流动和换热特性的研究成果的基础上，建立物理模型和数学模型。运用成熟的商业软件Fluent6.2，对以水为工质的梯形截面通道在恒热流不对称加热时，对流换热过程处于层流和紊流时的热力性能进行三维数值模拟。研究层流雷诺数Re范围为150-1500，湍流雷诺数Re范围为2×104-3×104；几何尺寸包括底面夹角θ，范围为60°-85°，无因次结构参数b/a（a为梯形截面通道上底，b为高），范围为1/4-4/3。详细讨论了梯形截面通道一面、两面以及三面不对称加热三种情况下不同截面上的温度场分布和速度场分布以及结构参数b/a、夹角θ和雷诺数Re对换热系数的影响。计算结果表明：
　　 ①不对称加热时梯形截面通道的轴向截面平均努赛尔特数Num随结构参数b/a的变化规律与四面加热的情况有明显不同。在非入口段区域，三面加热时当b/a=3/4时，Num最小；两面加热时，随着b/a的增大，Num增大；单面加热时，随着b/a的增大，Num减小。
　　 ②梯形截面通道不对称加热时层流换热的温度分布最先从壁面开始升高，角部出现热集中，夹角处温度升高较快，且温度分布关于中心对称；入口段截面上的速度分布不均匀，当达到通道1/3以后可以发现速度分布不再有明显的变化。
　　 ③梯形截面通道不对称加热层流换热与四面加热层流换热性能比较，可以看出两面加热时，Num相差最大，特别是当θ=85°，b/a=1/4时差别高达46.98％，当θ=75°，b/a=4/3时差别最小，为0.92％。
　　 ④梯形截面通道三面加热湍流换热的速度分布与四面加热时相同。两种情况下近壁区等温线比较密集，且关于中心对称。区别在于，四面加热时，温度首先从夹角处开始升高，三面加热时温度分布从壁面开始升高。三面加热时的截面平均努赛尔特数比四面加热时略微减小。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

1 绪 论

2 数学物理模型及模拟方法

3 梯形截面通道内对流换热三维数值模拟

4 结论

致 谢

参 考 文 献

附 录:A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录