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国家自然科学基金地区基金,湍流自然对流新模型及其实验验证

时间:2016/6/6 15:38:52

湍流自然对流新模型及其实验验证(51266004

1. 研究背景

自然对流流动与传热现象广泛存在于建筑节能、电子元器件的冷却、太阳能集热器设计、核反应器设计等领域中。要建立工业中碰到的像太阳能集热器一样尺寸大、温差高的高Gr数自然对流测试系统,只有通过增大特征尺寸及温差来实现。但增大特征尺寸必然受到造价及实验室空间条件的限制,而增大温差则会由于金属表面氧化膜的形成而增加表面发射率,致使对流换热量的测量误差增大。所以,通过实验获得大Gr数自然对流特性几乎是不可能的。这样,人们只能选择数值方法研究大Gr数的自然对流特性。k-ε模型是目前用来数值分析湍流自然对流最常见的数学模型之一。大量文献报道表明:无论是高雷诺数k-ε模型还是低雷诺数k-ε模型所得结果均与实验结果间存在较大差异。而且,无论哪种模型中均涉及与流态有关的湍流普朗特数σt。湍流普朗特数σt的定义方式决定了湍流自然对流中湍流动量扩散和热扩散的相对强弱。目前绝大多数文献中用k-ε模型模拟自然对流时仍采用强迫对流中对σt的定义方式,并在计算中常常对σt赋常数1。另外,不同属性的流体在几何特征相似的封闭腔内的流动与传热,其温度分布和流动型态也存在很大差异。所以,有必要寻找一种与流体属性有关的湍流普朗特数σt定义式来修正目前在用的k-ε模型,并通过实验研究来解释该定义式的物理本质。

2. 研究内容

1)研究自然对流湍流普朗特数σt的可能表达式

2)根σt建立新k-ε模型

3)用已发表的数据对新模型进行考核

①考核模型对流体物理属性敏感性(Pr=0.1-1000

②考核模型对对流表面曲率敏感性

国家自然科学基金地区基金,湍流自然对流新模型及其实验验证

1 典型自然对流表面(a)加热斜面(b)加热凹面(c) 加热竖立圆柱1d)加热水平圆柱2   

4)根据考核结果所获得的相关信息修正自然对流湍流普朗特数σt,使新k-ε模型达到理想的普适度

(5)用实验的方法来解释σt的物理意义

3. 技术路线

本项目的研究主线如图2所示

国家自然科学基金地区基金,湍流自然对流新模型及其实验验证

2 研究方案框图

4. 研究成果

(1) 提出了修正的湍流k-ε模型,在数值分析0.001≤Pr≤1000范围内的流体湍流自然对流换热问题方面具有很好的适应性。所提出的湍流普朗特数表达式如下:

国家自然科学基金地区基金,湍流自然对流新模型及其实验验证

应用修正的湍流k-ε模型所得结果与文献中的数值结果、实验结果进行对比,如图3所示。

国家自然科学基金地区基金,湍流自然对流新模型及其实验验证

3 与文献结果对比

(2) 专著:《封闭腔内湍流自然对流换热及工程应用》, 科学出版社,2015.5

(3) 专利:椭圆管管翅式换热器流线型等波幅折线形波纹翅片,2016

(4) 发表EICSCD核心论文8篇,国际会议论文5篇。

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