本文關(guān)鍵詞：具有表面輻射的部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)高瑞利數(shù)自然對(duì)流傳熱研究

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【摘要】：自然對(duì)流傳熱現(xiàn)象廣泛存在于自然界和實(shí)際工程中,其中多孔介質(zhì)與流體區(qū)域組成的復(fù)合封閉腔體內(nèi)自然對(duì)流傳熱應(yīng)用到更多領(lǐng)域：在建筑環(huán)境和建筑節(jié)能領(lǐng)域,進(jìn)行室內(nèi)舒適度評(píng)估時(shí),具有多孔性質(zhì)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑室內(nèi)的溫度分布和氣流形態(tài)是兩個(gè)重要指標(biāo)：另外,建筑墻體的厚度也會(huì)影響到室內(nèi)熱濕環(huán)境,選擇最佳墻體厚度就是一種有效的節(jié)能措施：工業(yè)生產(chǎn)過程,涉及到工業(yè)烘干,催化生產(chǎn),核工程和農(nóng)業(yè)谷物存儲(chǔ)等相關(guān)領(lǐng)域。鑒于多孔介質(zhì)與流體區(qū)域組成的自然對(duì)流傳熱機(jī)理有如此廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,無論是從科學(xué)研究還是工程應(yīng)用來看,對(duì)其的探究有重要的意義。實(shí)際工程應(yīng)用中,涉及到的空間多數(shù)為大尺度區(qū)域,因此流體的自然對(duì)流流動(dòng)形態(tài)為高瑞利數(shù)流動(dòng)。本文把具有外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑室看成填充多孔介質(zhì)封閉腔體,采用多孔介質(zhì)和空氣自由流動(dòng)的雙區(qū)域物理模型,基于純流體和多孔介質(zhì)流動(dòng)傳熱理論,建立了考慮壁面熱輻射的流體區(qū)域和多孔介質(zhì)區(qū)域的非穩(wěn)態(tài)動(dòng)量、能量方程,并對(duì)所建立的模型進(jìn)行驗(yàn)證。采用有限元的方法對(duì)部分填充多孔介質(zhì)封閉腔體內(nèi)具有壁面熱輻射的高Rayleigh數(shù)自然對(duì)流傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究了Ra(高Rayleigh數(shù)和低Rayleigh數(shù))對(duì)自然對(duì)流和傳熱的影響,尤其是高瑞利數(shù)的影響。其次,分析了各種表面發(fā)射率εi條件下的腔體近壁面邊界層和溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布,討論了表面發(fā)射率對(duì)自然對(duì)流和傳熱的影響。對(duì)不同厚度的多孔介質(zhì)條件下復(fù)合腔體內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析多孔介質(zhì)厚度對(duì)腔體內(nèi)的自然對(duì)流和傳熱的影響。然后,對(duì)絕熱上壁面和非絕熱上壁面對(duì)復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱進(jìn)行了模擬研究,分析了兩種途徑下復(fù)合腔體內(nèi)部的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。最后,研究了當(dāng)夏季、冬季室外環(huán)境相差較大時(shí),復(fù)合腔體內(nèi)部空氣的流動(dòng)規(guī)律和溫度分布,討論了冬季取暖、夏季制冷時(shí)計(jì)算負(fù)荷依據(jù)的差異。分析數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),高瑞利數(shù)(Ra=108、109、1010)流體同低瑞利數(shù)(Ra=104、105、106)一樣,隨著Ra的增大,自然對(duì)流傳熱作用增強(qiáng),將Ra=106與Ra=1010比較發(fā)現(xiàn),溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布差距較大,高瑞利數(shù)的腔體內(nèi)溫度分布均勻,流線分布更有規(guī)則,對(duì)流和傳熱作用也較顯著。邊界層明顯變薄,多孔介質(zhì)區(qū)域和流體區(qū)域交界面處的平均對(duì)流努塞爾數(shù)很好的佐證了這一點(diǎn)。壁面熱輻射的存在減弱了自然對(duì)流作用,使近壁面邊界層變厚,即使發(fā)射率很小,但表面發(fā)射率仍可明顯改變溫度場(chǎng)的分布。多孔介質(zhì)區(qū)域與流體區(qū)域交界面處的平均對(duì)流努塞爾數(shù)隨發(fā)射率增大而降低,平均輻射努塞爾數(shù)和總努塞爾數(shù)則隨著發(fā)射率的增加而變大,且增長(zhǎng)速率大于減小的速率。當(dāng)多孔介質(zhì)墻體厚度d≤0.25m時(shí),Nuc隨著厚度d的增加而不斷變大,之后平均自然對(duì)流努塞爾數(shù)將不再跟著厚度的增加而變化。這意味著當(dāng)多孔介質(zhì)厚度達(dá)到一定值后,繼續(xù)增加其厚度,傳熱量將不再減小。當(dāng)復(fù)合腔體上壁面為非絕熱時(shí),渦核心區(qū)在腔體下部,上部流線分布不均勻,近壁面邊界層變薄,腔體溫度升高,但趨于不均勻分布。冬季與夏季因室外環(huán)境溫度差異大,造成建筑室內(nèi)環(huán)境的明顯改變。冬季與夏季兩側(cè)壁面的高低溫溫度分布正好相反,因此腔體內(nèi)流場(chǎng)的分布水平對(duì)稱。相比于夏季,冬季的渦核心區(qū)位于流體區(qū)域下部,熱量傳遞能力高于夏季,但冬季各處溫差較大。兩季節(jié)的多孔介質(zhì)區(qū)域和流體區(qū)域之間都同樣存在較大溫度差。在實(shí)際運(yùn)用中,壁面的熱輻射對(duì)封閉腔體內(nèi)部的自然對(duì)流、熱質(zhì)交換過程的影響是客觀存在的,而且對(duì)于像谷物儲(chǔ)存、建筑環(huán)境等工程應(yīng)用的復(fù)合腔體中熱傳遞問題大多是高Rayleigh數(shù)自然對(duì)流、傳熱傳質(zhì)過程,而國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題研究的較少。因此,對(duì)具有表面輻射的部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)高瑞利數(shù)自然對(duì)流傳熱問題的研究還需不斷探究,以便為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：高瑞利數(shù) 自然對(duì)流 傳熱 多孔介質(zhì) 復(fù)合腔體 表面發(fā)射率 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK124
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-17
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析13-16
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及分析14
• 1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及分析14-16
• 1.3 本文的研究?jī)?nèi)容16-17
• 第2章 具有壁面熱輻射的部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)高Rayleigh數(shù)自然對(duì)流傳熱規(guī)律及相關(guān)物性參數(shù)(6)17-25
• 2.1 概要17
• 2.2 多孔介質(zhì)流動(dòng)與傳熱的理論依據(jù)17-18
• 2.2.1 多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理17-18
• 2.2.2 多孔介質(zhì)內(nèi)的傳熱機(jī)理18
• 2.3 部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)自然對(duì)流傳熱的理論依據(jù)18-19
• 2.4 輻射傳熱的理論依據(jù)19-20
• 2.5 參數(shù)的確定20-24
• 2.5.1 孔隙率20-21
• 2.5.2 滲透率21-23
• 2.5.3 努塞爾數(shù)23
• 2.5.4 多孔介質(zhì)和空氣相關(guān)參數(shù)總結(jié)23-24
• 2.6 小結(jié)24-25
• 第3章 具有壁面熱輻射部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體的數(shù)學(xué)模型及驗(yàn)證25-37
• 3.1 概要25
• 3.2 流體問題的研究方法25-26
• 3.3 計(jì)算區(qū)域和控制方程的離散26-28
• 3.4 高Rayleigh數(shù)的數(shù)值模擬方法28-29
• 3.5 考慮壁面熱輻射的高Rayleigh數(shù)瞬態(tài)自然對(duì)流傳熱的數(shù)學(xué)模型29-32
• 3.5.1 物理模型29
• 3.5.2 基本假設(shè)29-30
• 3.5.3 數(shù)學(xué)模型30-32
• 3.6 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證32-34
• 3.7 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證34-36
• 3.8 小結(jié)36-37
• 第4章 具有壁面熱輻射部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體的數(shù)值模擬結(jié)果及分析37-53
• 4.1 概要37
• 4.2 模擬條件37
• 4.3 模擬工況37-38
• 4.4 模擬結(jié)果及分析38-51
• 4.4.1 瑞利數(shù)Rayleigh對(duì)部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響38-42
• 4.4.2 表面發(fā)射率對(duì)部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響42-46
• 4.4.3 多孔介質(zhì)厚度對(duì)部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響46-47
• 4.4.4 非絕熱上壁面對(duì)部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響47-50
• 4.4.5 夏季、冬季氣溫對(duì)部分填充多孔介質(zhì)的復(fù)合腔體內(nèi)部自然對(duì)流傳熱的影響50-51
• 4.5 小結(jié)51-53
• 第5章 研究結(jié)論及未來研究方向53-56
• 5.1 研究結(jié)論53-54
• 5.2 未來研究方向54-56
• 參考文獻(xiàn)56-59
• 符號(hào)表59-61
• 致謝61-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表及科研情況62

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