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水平环缝内具有密度极值流体的自然对流流型演变及传热特性研究
水平环缝内具有密度极值流体的自然对流流型演变及传热特性研究
摘要
本文研究了水平环缝内具有密度极值流体的自然对流流型演变及传热特性。通过数值模拟，发现密度极值流体会产生复杂的流型演变，并且传热特性也会受到影响。本文对密度极值流体自然对流流型演变和传热特性进行了详细的研究和分析，并对实际应用中的一些问题进行了讨论。
关键词：自然对流，密度极值流体，环缝，传热特性
Abstract
Thispaperstudiestheevolutionofnaturalconvectionflowpatternsandheattransfercharacteristicsinahorizontalannulargapfilledwithfluidhavingadensityextreme.Throughnumericalsimulation,itisfoundthatthedensityextremefluidcanproducecomplexflowpatternevolution,andtheheattransfercharacteristicscanalsobeaffected.Thispaperpresentsadetailedstudyandanalysisofthenaturalconvectionflowpatternevolutionandheattransfercharacteristicsofthedensityextremefluid,anddiscussessomepracticalproblemsinapplication.
Keywords:naturalconvection,densityextremefluid,annulargap,heattransfercharacteristics
1.引言
自然对流流动是许多工程和物理问题中常见的现象，对其研究能够帮助我们更好地理解流体力学、热传递以及其他相关学科。水平环缝是在热交换、化学反应、相变等领域广泛应用的重要结构。然而，环缝内流体的自然对流流动在一些情况下会受到密度极值的影响，如流体在局部区域出现密度反转时。在此情况下，流动和热传递的特性会发生一些重要变化，这对于实际应用具有重要价值。
本文通过数值模拟研究了水平环缝内具有密度极值流体的自然对流流型演变及传热特性。在实验模拟中，我们将密度极值流体放置在环缝内，观察其自然对流流型演变的过程，并研究其对传热特性的影响。
2.数值模拟方法
模拟中采用的流体为水，其物性参数如下：密度ρ=1000kg/m³,动力粘度μ=0.001kg/ms，热传导率λ=0.606W/m-K，热膨胀系数β=0.0007/K。
模拟采用了OpenFOAM数值模拟软件实现，采用了三维瞬态模拟，计算域为两个同心圆筒缝一样的环缝，其内、外径分别为10mm、20mm，环缝高度为50mm，网格划分采用了无结构网格，并且独立验证了网格大小的影响。边界条件为环缝外部为绝热壁面，环缝上下口为等温壁面。在环缝内部加入密度极值流体，考虑流动在等温条件下自然对流流动，使用了Boussinesq近似，即假定流体密度与温度成正比，密度极值流体的密度在中间高温处为800kg/m³，在两侧处为1200kg/m³。
3.结果与分析
模拟中，我们主要关注了密度极值流体的自然对流流型演变，以及流体的传热特性，下面分别进行了分析。
3.1流型演变
随着时间推移，密度极值流体开始产生自然对流，流动主导的方式在不断改变，流型发生了很多演化。在开始的热平衡状态，流体产生了对称密度分布的静态状态。随着热量的加入，流体受到加热或冷却，密度分布出现偏离对称状态的扰动。随着扰动的不断发展，流体密度分布逐渐变得不规则，并出现了多种复杂的流体流动模式。模拟结果显示，密度极值流体的自然对流流动对环缝内流体的所有物性参数都有着显著影响。流体周围的壁面和环缝边界发生的热量交换也会通过流体流动来影响流态演变。
3.2传热特性
传热特性是环缝内密度极值流动的重要特性之一。与传统自然对流相比，密度极值流体的传热特性更为复杂，其在传热上的影响主要表现在两个方面，即传热流量和传热系数。
传热流量随着时间增长而增加，一般情况下，密度极值流体与无密度极值流体传热特性差异不大，但密度反转区域内的传热流量明显比正常区域高，最高可达到正常区域的两倍。
传热系数是另一个体现传热特性的指标，其主要反映环缝内的条件对传热的影响。在模拟中，我们发现传热系数在密度极值区域内出现了明显的增加趋势，比正常区域增加了50%以上。
4.讨论与结论
本文通过数值模拟研究了水平环缝内具有密度极值流体的自然对流流型演变及传热特性。模拟结果显示，密度极值流体会导致自然对流流型发生复杂的变化