【摘要】：垂直圓管作為換熱介質(zhì)的載體已被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)界中的換熱設(shè)備中。例如,太陽(yáng)能發(fā)電站能量接收裝置的換熱載體之一就是垂直圓管;當(dāng)匯集的太陽(yáng)輻射作用在圓管壁面上時(shí),可產(chǎn)生壁面與管內(nèi)流體的熱量交換,而受熱流體可發(fā)生自然對(duì)流流動(dòng),且流體流動(dòng)會(huì)把獲得的熱量帶走。由于垂直圓管內(nèi)這種對(duì)流和換熱的廣泛存在,開(kāi)展相應(yīng)的研究有其重要的基礎(chǔ)研究?jī)r(jià)值和工程實(shí)踐意義。本文采用尺度分析方法研究了垂直圓管內(nèi)自然對(duì)流的動(dòng)力和傳熱機(jī)制。考慮了兩種加熱方式,分別為等溫加熱和等熱通量加熱。通過(guò)尺度分析,分別得到了兩種加熱條件下定常和非定常狀態(tài)熱邊界層厚度和速度的尺度關(guān)系式,以及等溫加熱條件下體積流率和努塞爾數(shù)的尺度關(guān)系式。本文也利用直接數(shù)值模擬結(jié)果研究了圓管內(nèi)流體的溫度和流動(dòng)結(jié)構(gòu)。主要考慮了瑞利數(shù)和圓管無(wú)量綱曲率的影響。首先,利用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)獲得的尺度關(guān)系式進(jìn)行了驗(yàn)證,理論分析結(jié)果與數(shù)值結(jié)果是符合的。其次,基于數(shù)值結(jié)果,觀察分析了圓管內(nèi)的流動(dòng)和傳熱:當(dāng)無(wú)量綱曲率為1且瑞利數(shù)為102時(shí),傳熱由導(dǎo)熱控制,沒(méi)有清晰的熱邊界層,流體呈垂直分層結(jié)構(gòu):當(dāng)瑞利數(shù)達(dá)到106時(shí),由于對(duì)流的增強(qiáng),靠近圓管出口會(huì)出現(xiàn)回流結(jié)構(gòu);當(dāng)無(wú)量綱曲率進(jìn)一步增大時(shí),渦結(jié)構(gòu)會(huì)向下游移動(dòng)并增大,且對(duì)稱(chēng)性會(huì)破壞,傳熱受到抑制。本文雖然對(duì)不同無(wú)量綱參數(shù)下的垂直圓管內(nèi)的自然對(duì)流流動(dòng)和傳熱進(jìn)行了分析,得到了主要流動(dòng)特征與主要控制參數(shù)之間的定量關(guān)系,且已得到數(shù)值結(jié)果的檢驗(yàn),但進(jìn)一步的深入分析以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證也是未來(lái)亟待完成的工作。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TK172
【圖文】：

２．１模型簡(jiǎn)介及分析方法逡逑垂直圓管壁面突然均勻加熱，可導(dǎo)致圓管內(nèi)壁面附近的流體受熱，密度變小，逡逑形成一個(gè)熱流體薄層，即熱邊界層，如圖２－１所示。熱邊界層內(nèi)流體的密度小于環(huán)逡逑境流體密度，從而可產(chǎn)生浮力效應(yīng)。浮力可進(jìn)一步驅(qū)使圓管內(nèi)壁面附近的流體流逡逑動(dòng)，即形成所謂的自然對(duì)流流動(dòng)，圖２－１顯示了熱邊界層自然對(duì)流的方向。該自然逡逑對(duì)流流動(dòng)可顯著提高圓管內(nèi)的傳熱效率［Ｍ。逡逑卜Ｍ逡逑邐丁逡逑１＝＞邐Ｖ邐Ｖ邐＜Ｊ＝＝｜逡逑ｈｅａｔｉｎｇ邐ｖ邐ｖ邐ｈｅａｔｉｎｇ逡逑■＝＞邋｜邐ｔ邋＜＝＞邋＾逡逑Ｖ邐Ｖ逡逑圖２－１突然加熱垂直圓管內(nèi)自然對(duì)流的示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｎａｔｕｒａｌ邋ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ邋ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｂｙ邋ａ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｃｉｒｃｕｌａｒ邋ｔｕｂｅ逡逑ｗａｌｌ邋ｓｕｄｄｅｎｌｙ邋ｈｅａｔｅｄ逡逑自然對(duì)流通常為低速流。低速流的控制方程由連續(xù)性方程、考慮Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ逡逑假設(shè)的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和能量方程組成，如式（２－１）到（２－４）所示。需要注意逡逑的是，由于模型為圓柱體，這里采用了柱坐標(biāo)系，切向的傳熱傳質(zhì)忽略不計(jì)，而逡逑能量方程中粘性耗散生熱項(xiàng)忽略不計(jì)。逡逑１１逡逑

加熱條件一致，那么認(rèn)為在流動(dòng)發(fā)展初期，前述的垂直圓管和垂直平面壁傳熱傳逡逑質(zhì)效率也應(yīng)當(dāng)一致�；谶@個(gè)假設(shè)，進(jìn)一步認(rèn)為垂直圓管壁面附近的熱邊界層體逡逑積與垂直平面壁附近的熱邊界層體積數(shù)值上大致相等，如圖２－２示意：逡逑邐邋２ｎＲ邐￣卜邐￣逡逑，邋Ｉ邋Ｉ逡逑Ｑ：．．．：：？．．．』逡逑Ｔ邐２ｎＲ逡逑圖２－２傳熱等效示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ邋ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｗｏ邋ｋｉｎｄｓ邋ｏｆ邋ｈｅａｔｅｄ邋ｗａｌｌｓ逡逑基于上述等量關(guān)系，則有：逡逑２７ｔＲｈＳＴｐ邋＝邋ｆｍＲ２邋—邋ｈ７ｔｉＲ邋—邋Ｓｒ｝２邐（２－１０）逡逑變形得：邐邐逡逑ＳＴ邋＝邋ｉ？（ｌ邋—邋ｙｊｌ—２ＳＴｐ邋／邋Ｒ）邐（２－１１）逡逑將式（２－９）邋（２－８）代入到（２－１１），可得自然對(duì)流發(fā)展初期垂直圓管壁面附近逡逑熱邊界層厚度的尺度關(guān)系式：逡逑ＳＴ邋￣邋Ｋ＼－Ｖｌ－２ＡＫｌ，２ｔＶ２邋／ｈ）／Ａ邐（２－１２）逡逑然而，熱邊界層內(nèi)流體由浮力驅(qū)動(dòng)，因此首先動(dòng)量方程（２－３）等號(hào)右側(cè)浮力逡逑項(xiàng)（ｇ如Ｄ保留。黏性項(xiàng)（ｖｗ＿＿／岑＋ｖｗｚ／ｉ＾＋ｖｗ＿＿／／ｚ２）中，第二項(xiàng)與第一項(xiàng)之比為逡逑Ｑ－�。玻粒耄酰伲玻遥�，第三項(xiàng)與第一項(xiàng)之比為。當(dāng)時(shí)間／很小時(shí)，以上所得兩個(gè)比逡逑值均遠(yuǎn)小于１

圖２－３等溫加熱條件下定常時(shí)間＾的數(shù)值解逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｓ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｃａｓｅ邋ｏｆ邋ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ邋ｈｅａｔｉｎｇ逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 王永紅;;列管式換熱器強(qiáng)化傳熱研究及發(fā)展[J];低溫與超導(dǎo);2012年05期

2 ;Explicit analytical solutions of axisymmetric laminar natural convection along vertical tubes[J];Progress in Natural Science;2005年03期

3 槐文信，李煒;垂直圓柱層流自然對(duì)流存在相似解的條件及其相似性解[J];武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào);1994年02期

本文編號(hào)：2779349