封閉腔金屬鋁溶液自然對流數值實驗范文

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【摘要】通過不同瑞利數下的數值模擬分析封閉腔內部的液態金屬鋁溶液的自然對流流動與換熱，得到該溶液在封閉內的溫度及速度分布圖。結果表明，在瑞利數較小階段，封閉腔內的傳熱主要是熱傳導，隨著瑞利數的增大，封閉腔中液態金屬鋁溶液的傳熱主要是對流換熱。

【關鍵詞】液態金屬鋁；封閉腔；自然對流換熱；數值模擬

現代社會中無論是動力、能源工程、化工等各個領域都對熱量傳遞都有著較為深入的研究。換熱器、空氣制冷設備、建筑物絕熱、旋轉電機散熱等工程應用問題均可簡化為封閉腔內流體的自然對流換熱進行研究。針對此問題。Girgis[1]主要通過實驗和數值模擬研究了格拉曉夫數、空腔傾角、空腔長寬比對封閉空腔自然對流換熱的影響。周夢等人[2]對封閉腔內置傾斜換熱管的自然對流流動與換熱，重點關注腔內溫度場、流場的平均努塞爾數Nuav與瑞利數Ra及換熱傾角等之間的關系。陽祥等人[3]針對高寬比為4的封閉腔內自然對流進行了數值模擬。陳中豪等人[4]對內置圓形發熱體位置對二維方腔內自然對流的影響進行數值研究目前對封閉腔內自然對流換熱的研究主要是較為常規的流體，對液態金屬的相關研究較少。曾和義等[5]研究不同加熱方式下腔液態金屬鈉層流自然對流傳熱過程。門玉賓等人[6]應用數值模擬對液態金屬鎵的自然對流換熱過程進行了分析。而對于液態金屬鋁的自然對流換熱特性鮮少有報道，而工程中熔鋁及一些特殊反應過程都需利用液態鋁的換熱過程，因此有必要對其進行相關研究。本文利用FLUENT軟件和單流體模型來模擬在不同瑞利數下封閉腔內的自然對流流動與換熱，分析了封閉腔內液態金屬鋁溶液的自然對流換熱。為工程設計和應用提供一定的參考依據。

1物理模型及數值方法

1.1控制方程

封閉腔內流體設為穩態層流，忽略流體輻射，液態金屬鋁溶液密度使用布辛涅司克近似，其余物性參數為常數。將液態金屬鋁視為連續介質，其控制方程如下：式中，u為液態金屬的速度矢量；β為熱擴散系數；Tc為左側邊界溫度；Tr為右側邊界溫度；D是模型的特征長度；ν運動黏度；α動力黏度。

1.2物理模型

本文中使用的二維物理模型如圖1所示。其選擇正方形作為計算模型，邊長為D，封閉腔的四邊均為金屬銅結構，封閉腔內部為液態金屬鋁。固壁面為無滑移邊界條件，左、右兩側壁溫邊界條件設置為恒定，不考慮壁面的導熱，左壁是高溫壁Tc，右壁是低溫壁Tr，上壁面及下壁面絕熱。

1.3數值方法

本文選用的封閉腔內部為液態金屬鋁，利用FLUENT軟件對模型進行模擬。采用四邊形均勻網格，速度和壓力耦合問題使用SIMPLE算法處理，動量方程和能量方程采用二階迎風差分算法處理以保證差值精度。鋁溶液的參數如表1。

2結果分析與討論

2.1結果驗證

為得到與網格劃分無關的解，對Ra=106的情況采用了80×80、100×100、120×120、150×150四套均勻網格進行模擬計算，結果發現，120×120網格計算結果可以看作是獨立于網格的解，因此計算中使用的最終網格為120×120。參照文獻[6]的條件計算來驗證計算方法，當Ra=106時，所得的溫度圖、流線圖及渦量圖與基本與文獻計算結果基本一致，說明本文數值方法及精度的可信，對比圖見圖2。

2.2瑞利數的影響

圖3顯示了瑞利數對封閉腔內自然對流傳熱的影響。由圖3可清楚的看出，封閉腔中液態金屬鋁的對流傳熱受瑞利數的影響很大。在封閉腔內的鋁液達到穩定的自然對流情況下，腔內的流場中心出現渦旋。當瑞利數為103時，封閉腔內渦旋很小，此時自然對流較弱，腔內傳熱機理主要靠熱傳導。隨著瑞利數逐漸增大，腔內的渦旋也同樣增大。反應出封閉腔內液態金屬鋁隨著瑞利數的逐漸增大，其中心的渦旋流動也逐漸加劇，換熱和流動效果體現的更加明顯。同樣可以看到，隨著瑞利數逐漸增大，封閉腔內金屬鋁的溫度場形式發生變化，溫度等值線在瑞利數為103時體現為豎直方向分布逐漸變化道瑞利數為106的水平方向微螺旋分布，從溫度等值線分布的變化可以得到，封閉腔內金屬鋁的自然對流逐漸由熱傳導的轉變為對流換熱的方式。水平方向上，隨著瑞利數得增加，封閉腔中的溫度場在靠近左右邊界面位置的等值線越來越密集，顯示出在左右邊界處存在越來越大的溫度梯度，反之在靠近腔體中心的溫度梯度越來越小，導致此現象的原因為熱量在左側的高壁溫區向右側的低壁溫區傳遞過程中，由于邊界處由溫度梯度產生的浮升力使腔內流體的自然對流速度逐漸加大，換熱機理已經由流體之間的熱傳導轉換為對流換熱。

3結論

本文通過數值模擬分析了封閉腔內部的液態金屬鋁溶液的自然對流換熱，主要模擬了不同瑞利數下封閉腔中的自然對流流動與換熱，得到了封閉腔體的溫度及速度分布圖。通過模擬在自然對流條件下流體的特性，分析其原因，與同領域學者論著作比較，利用相關文獻結果驗證了模型的合理性。結果說明，在自然對流換熱條件下，隨著瑞利數增大，由于兩側壁面溫度不同，由溫度梯度產生的浮升力以及自身重力的雙重作用下，封閉腔內的液態金屬鋁進行順時針旋轉，形成了較為規則的溫度及速度分布圖，鋁溶液的自然對流逐漸由熱傳導轉變為對流換熱的方式。

參考文獻

[2]周夢,虞斌,涂善東.封閉腔內置傾斜換熱管的自然對流數值模擬[J].化工機械,2018(5):636-642.

[3]陽祥,陶文銓.高瑞利數下封閉腔內自然對流的數值模擬[J].西安交通大學學報,2014,48(5):27-31.

[4]陳中豪,羅超,吳帥,等.內置圓形發熱體二維方腔內自然對流數值研究[J].蘭州交通大學學報,2018,37(4):78-84.

[5]曾和義,董化平,郭贇.方腔內液體金屬鈉自然對流換熱特性數值分析[J].原子能科學技術,2012(46):305-309.

[6]門玉賓,馬軍軍,王書福,等.液體金屬鎵自然對流換熱數值模擬[J].哈爾濱工業大學學報,2011(43):114-118.

作者：劉淼 張強 戎玲 陳剛 單位：中國船舶重工集團公司第七0三研究所