波纹形多孔介质封闭腔体中纳米流体自然对流换热数值研究

摘要

多孔介质中的自然对流换热广泛存在于太阳能利用、石油开采、核废料的安全存放及电路电子设备的冷却等工程应用中。由于多孔介质中基液的导热能力较弱，使得多孔介质中自然对流换热的强化受到一定限制。在基液中添加纳米颗粒可以达到强化传热的目的。近些年一些学者在多孔介质的自然对流换热中采用了纳米流体，并得到了一定的成果，但这一课题的研究相对来说较少。因此，本文采用局部热平衡(LTE)和局部非热平衡(LTNE)两种模型，数值研究了波纹壁面多孔介质腔体中纳米流体的自然对流换热，具体内容及结论如下： (1) 采用Darcy-Brinkman模型和局部热平衡模型数值研究了波纹形多孔介质腔体中 Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧垂直壁面中部保持恒定的高温，左侧为恒定低温波纹形壁面，右侧其余部分和上下水平壁面绝热。分析了右侧高温壁面无量纲长度C、左侧波纹面无量纲振幅 b、瑞利数 Ra、纳米颗粒体积分数φ、达西数Da等参数变化时对自然对流换热的影响。结果表明，局部高温壁面平均 Nu数随着 C的增大而减小，随着 b的增大而增大，随着瑞利数 Ra、达西数Da和纳米颗粒体积分数φ增大而增大。 (2) 采用局部热平衡模型数值研究了双侧波纹形多孔介质腔体内 Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧波纹曲面为恒定高温壁面，左侧波纹曲面为恒定低温壁面，其余壁面保持绝热。流动采用 Darcy-Brinkman-Forchheimer模型，分析了波纹面波纹数?、波纹面无量纲振幅 b、瑞利数 Ra、纳米颗粒体积分数φ、达西数 Da、多孔介质孔隙率ε等参数变化时对自然对流换热的影响。结果表明，高温波纹壁面平均 Nu数随着?的增大而减小。在达西数 Da为 10-2和10-3时，平均Nu数随着 b的增大而减小；在达西数 Da为 10-4和 10-5时，平均 Nu数随 b先作微小减弱，后作微小增加，并在b为0.1时达到最小。高温波纹壁面平均Nu数随着瑞利数 Ra、纳米颗粒体积分数φ和达西数 Da的增大而增大，随着多孔介质孔隙率ε的增加而作微弱的减小。 (3) 采用局部非热平衡(LTNE)模型数值研究了波纹形多孔介质腔体中 Cu-水纳米流体的自然对流换热。腔体右侧波纹壁面为恒定高温壁面，左侧波纹壁面为恒定低温壁面，流动采用 Darcy模型。分析了波峰突起相对高度?、无量纲容积换热系数 Nhs、纳米颗粒体积分数φ对自然对流换热的影响。结果表明，高温波纹壁面平均 Nu数随着波峰突起相对高度?的增加而减小；纳米流体相的平均 Nunf数随着Nhs的增大而减小，固体骨架相的平均 Nus数随着 Nhs的增大而增大；无量纲容积换热系数 Nhs较小时，局部非热平衡效应影响明显；纳米颗粒体积分数φ的增加使得纳米流体相的和固体骨架相的平均 Nu数均增加。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究意义和现状

1.2 多孔介质概述

1.3 本文的主要研究内容

第2章 单侧波纹形多孔介质腔体内纳米流体自然对流换热的数值模拟

2.1 物理模型及数学描述

2.2 数值计算方法

2.3 网格独立性考核与程序验证

2.4 数值计算结果与分析

2.5 本章小结

第3章 双侧波纹形多孔介质腔体内纳米流体自然对流换热的数值模拟

3.1 物理模型及数学描述

3.2 网格独立性考核与程序验证

3.3 结果及讨论

3.4 本章小结

第4章 波纹形弯曲多孔介质腔体内纳米流体自然对流换热数值模拟

4.1 物理模型及数学描述

4.2 网格独立性考核与程序验证

4.3 结果及讨论

4.5 本章小结

结论与展望

1 结论

2 展望

参考文献

致谢

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