有石英窗口的圆柱形腔体热损失特性实验研究

腔体热损失特性是太阳能热发电领域的研究热点之一。石英窗口能使腔体内部与周围空气分离,改变腔体气流模式和温度分布,减小对流和辐射热损失,因此本文对有石英窗口的圆柱形腔体热损失特性进行实验研究。结果表明:石英窗口显著提高了腔体壁面温度。改变倾角和加热方式对侧壁面温度分布影响较大,底面温度基本保持稳定。腔体开口向上时,Nu_r、Nu_c无明显变化;开口向下时,Nu_r随倾角变化很小,而Nu_c变化较大。改变加热方式会引起Nu_r和Nu_c的明显变化,尤其在单独底面加热且倾角接近90°时,Nu_c迅速增加。     

风向角对圆柱形腔体热损失特性影响的实验研究

采用电加热的方法,在恒热流和单独底面加热的情况下,实验研究了在不同风速和腔体倾角下风向角对一侧全开的圆柱形腔体热损失特性的影响。实验结果表明:风向角对混合对流热损失努塞尔数Nu_(c,w)的影响比较复杂,其影响与风速和腔体倾角有关;风向角对辐射热损失努塞尔数Nu_(r,w)的影响较小,Nu_(r,w)随风向角的变化只在一小范围内波动。风向角对导热、辐射和混合对流热损失影响较小;辐射和导热热损失随风向角变化有着相同的变化趋势,且它们近似相等,但均远小于混合对流热损失。     

有风环境下太阳能吸热器混合对流热损失特性

采用三维数值模拟方法研究了太阳能吸热器在有风环境下的混合对流热损失特性,得到了吸热器腔体内部的温度分布和采光口截面的速度分布以及对流热损失大小与倾角、风向的关系曲线。结果表明,与无风环境下太阳能吸热器对流热损失随倾角增加而单调减小的规律不同,有风环境下,太阳能吸热器混合对流热损失同时受到环境风和倾角的共同影响,且规律较为复杂。当风向背对采光口时,吸热器混合对流热损失在不同倾角下随风向的变化较小,但当风向正对采光口时,吸热器混合对流热损失随风向的变化较为剧烈,受到倾角的影响也较为显著。     

格子Boltzmann方法模拟填充纳米流体三角形腔内的自然对流

采用格子Boltzmann方法研究填充水-氧化铝纳米流体的等腰直角三角形腔体中的自然对流。讨论瑞利数、颗粒体积分数、热源位置等因素对对流换热的影响,以及不同纳米流体模型对模拟结果的影响。结果表明：在低瑞利数下,随着热源在左壁面向上移动,换热效率逐渐增加。而在高瑞利数（Ra=10⁶）时,观察到相反的现象;采用单相纳米流体模型,模拟表明热壁面平均努塞尔数比率随着体积分数的增加近似线性增加。采用改进的纳米流体模型,结果显示平均努塞尔数比率随着体积分数的增加而增大,但是平均努塞尔数比率的变化斜率逐渐减小。改进模型模拟的换热效率比单相模型高,这是因为改进模型考虑了粒子间作用力及换热,更符合实际情况。     

太阳能制氢腔式吸热器混合对流的数值模拟研究

混合对流热损失是影响太阳能与生物质超临界水气化耦合制氢腔式吸热器热效率的关键因素之一。本文以动力工程多相流实验室建成的生物质超临界水与太阳能聚集供热耦合制氢腔式吸热器为研究对象,对腔式吸热器混合对流换热进行了数值模拟研究。通过使用RNGkε湍流模型,研究了制氢吸热器在外界风吹掠环境下的混合对流热损失,获得了腔式吸热器在不同风速、风向吹掠下的混合对流换热准则Nusselt数。模拟结果表明,侧向风与侧迎向风对腔内对流热损失影响最大,当风速超过某一数值(Richardson数>1),外界风诱发的强制对流会在对流热损失中占主导作用,且随着风速增加,混合对流热损失随Re提高而增大。     

束腰结构扰流柱通道的传热和阻力特性

本文对涡轮叶片尾缘中具有束腰结构扰流柱的冷却通道的传热和流动阻力特性进行了实验研究,重点研究了雷诺数、扰流柱的束腰比以及不同组合的影响.结果表明:(1)通道平均努塞尔数随着Reynolds的增加而增大,而当Reynolds数较大时,与圆柱通道相比,束腰结构扰流柱通道的换热效果稍低;(2)通道内平均努塞尔数随着束腰比的增大先增大后降低,然后有所变缓,而其压力损失却曲折波动;(3)在三排扰流柱中,第Ⅱ排束腰结构扰流柱对换热效果影响最大,第Ⅰ排影响最小.当第Ⅰ排和第Ⅲ排为束腰结构扰流柱时,其换热减弱,而压力损失系数却增大.     

倾斜多孔介质方腔内纳米流体自然对流的格子Boltzmann方法模拟

利用格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM) 对倾斜多孔介质方腔内 Al_2O_3-H_2O 纳米流体的自然对流进行数值模拟, 考虑了孔隙率 (0.3 ≤?≤ 0.9)、瑞利数 (10~3 ≤ Ra ≤ 10~6)、纳米颗粒体积分数(0 ≤ ? ≤ 0.04) 和倾斜角 (0°≤γ≤ 120°) 等因素的影响, 研究了正弦温度分布边界条件下倾斜多孔介质方腔内纳米流体的自然对流传热机理. 结果表明: 若?和γ保持不变时, 随着 Ra 数的增大, 热壁面处的平均努塞尔数 (Nu_(ave) 数) 呈现出先减小后增大的趋势; 对于给定的 Ra 数, 当γ = 0°时, 随着孔隙率的增大, 热壁面处Nu_(ave) 数逐渐增大, 当γ = 40°, 80°和 120°时, Nuave 数在?= 0.7 左右时达到最大值; 若?和 Ra 数保持不变, 当γ = 40°时, 方腔内的自然对流换热效率最强, 当γ = 80°时热壁面自然对流换热效率被削弱. 最后, 研究了纳米颗粒体积份数的影响, 当方腔施加一定倾角时, 热壁面处的 Nuave 数随着纳米颗粒体积分数的增大而增大.     

复合方腔顶盖驱动双扩散混合对流格子Boltzmann模拟

为本文基于热质耦合的Lattice Bhatnagar-Gross-Krook(CLBGK)模型,通过引入浓度分布函数,利用格子Boltzmann方法对顶盖驱动的复合方腔内的双扩散混合对流现象进行了研究,复合方腔由多孔介质区域和自由空间组成。分析了路易斯数Le=2.0,浮升力比N=1.0,格拉晓夫数Gr=10~4和普朗特数Pr=0.7时,孔隙率(ε=0.6/0.7/0.8)、方腔中多孔介质层位置及理查德森数Ri(10~(-3)≤Ri≤10~3)对内部混合对流及热质扩散的影响。给出了方腔内温度、浓度和流线分布,以及高温高浓度壁面的平均努塞尔数Nu_(av)和平均舍伍德数Sh_(av)。研究结果表明:多孔介质层对顶盖驱动方腔内热质双扩散影响显著,且方腔左壁壁面平均努塞尔数Nu_(av)与平均舍伍德数Sh_(av),在位置D_1~D_3之间随多孔介质层的右移而增大,在位置D_3上随Ri(10~(-3)≤Ri≤10~3)的增大而减小。     

碟式太阳能复合圆锥型腔式吸热器热性能评估

在碟式太阳能热发电技术中,吸热器是光热转换的重要装置,其热性能直接影响整个电站的安全可靠性和经济性.本文针对碟式聚光集热系统,采用光线踪迹法,建立复合圆锥型腔式吸热器内表面热流密度分布数值模型及吸热器内传热耦合模型,探究腔体结构对受热面热流密度分布特性及吸热器热传热耦合特性的影响.研究结果表明:腔体内部锥角α增大时,腔体内表面热流密度呈现不同的分布规律,腔式吸热器辐射热损失逐渐增大,对流热损失先增大后减小;通过选择合理的吸热器内部锥角,可以有效地优化吸热器热效率.     

次声频脉动流横掠圆柱体传热实验研究

为研究次声频脉动流中圆柱体对流换热的特性,搭建了脉动流强化传热实验台架,研究了不同脉动频率(f=6~20 Hz)的脉动流横掠圆柱体的对流换热问题,脉动波的有效压力振幅Prms固定为22 Pa。结果表明:低频小振幅的脉动流横掠热圆柱体时,对流换热相对努塞尔数随着频率的降低线性增大,最大值可达4.0以上;辐射热流率占总热流率的比例随着频率的降低而呈指数下降。     

不同孔隙率圆形微针肋热沉流动及传热特性

本文利用CFD数值模拟软件对当量直径为200μm的不同孔隙率的叉排圆形微针肋热沉的流动和传热特性进行了数值模拟。模拟结果表明,随着雷诺数的增加,针肋尾部出现不同形态的涡。不同孔隙率的通道中,由于后排针肋的影响,针肋尾迹区的涡的形态、大小出现不同。对不同孔隙率的微针肋热沉,热流密度的变化对热沉的努塞尔数Nu的影响不同,孔隙率较小时热流密度对热沉的努塞尔数Nu影响不大,孔隙率较大时热流密度升高,热沉的努塞尔数Nu升高。     

基于总能形式的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法

双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法在微尺度热流动系统中得到广泛的应用. 本文基于晶格玻尔兹曼平衡分布函数低阶Hermite展开式, 创新性地提出了包含黏性热耗散和压缩功的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法, 将能量场内温度的变化以动量源的形式引入晶格波尔兹曼动量演化方程, 实现了能量场与动量场之间的耦合. 研究了考虑黏性热耗散和压缩功的和不考虑的两种热自然对流模型, 重点分析了不同瑞利数和普朗特数下流场内的流动情况以及温度、速度和平均努赛尔数的变化趋势. 本文实验结果与文献结果一致, 验证了本文数值方法的可行性和准确性. 研究结果表明: 随着瑞利数和普朗特数的增大, 方腔内对流传热作用逐渐增强, 边界处形成明显的边界层; 考虑黏性热耗散和压缩功的模型对流作用相对增强, 黏性热耗散和压缩功对自然对流的影响在微尺度流动过程中不能忽略.     

格子Boltzmann方法分析加热尺寸和瑞利数对可变形开口腔内自然对流的影响

采用格子Boltzmann方法对可变形腔体内自然对流问题进行数值研究，给出平均努赛尔数的经验关系式.腔体左壁加热长度分为左壁面的整个区域（H）和左壁面的中间区域（0.5H）两种情况，右壁向外界环境开放，上下边界绝热且可以上下移动，以此调节右出口尺寸.主要研究瑞利数（10⁴ ≤ Ra ≤ 10⁶），右出口尺寸（1.0H ≤ L ≤ 2.0H），左壁加热尺寸（L_h=0.5H或L_h=H）对腔体内等温线、流线、局部努塞尔数和平均努赛尔数的影响.结果表明：腔体内换热随着瑞利数的增大越来越强烈，表现为椭圆形准静止区域更加靠近上绝热壁，且热分层厚度逐渐变小，平均努赛尔数增加.而右出口尺寸的增加，对于两种加热尺寸下腔内的换热效果有不同程度影响，其中与加热尺寸为左壁面的全部区域L_h=H相比，加热尺寸为左壁面的中间情况L_h=0.5H时，右侧开口尺寸的增加对换热效果的影响不显著.此外，左壁加热尺寸为0.5H时显示出比加热尺寸为H时更高的平均传热效率.最后，针对不同的加热尺寸，提出加热面平均努赛尔数与Ra数及右壁面开口尺寸L^*之间函数关系的经验预测，拟合效果满足工程实践与设计需要.     

管外包覆多孔介质强化换热的数值研究

本文对管外包覆多孔介质的无限长圆管绕流的流场和温度场进行数值模拟,研究了多孔介质层的无量纲厚度ep,达西数D_a以及雷诺数Re对流动和强制对流换热特性的影响。研究结果表明,管外包覆多孔介质后的强制对流换热效果明显强于光管条件下的效果,换热增强了2.8~5.4倍;壁面平均努塞尔数Nu随e_p和Re的增大而增大,随Da的增大而减小;管壁处的流动阻力系数C_D随ep的增大而增大,随D_a的减小,先增大后减小,当Da小于1×10~(-5)时,阻力系数保持不变。     

涡轮叶片前缘阵列冲击冷却流动及传热特性数值研究

本文采用SST湍流模型模拟了类前缘通道内蒸汽射流阵列冲击冷却的流动与传热特性,分析了雷诺数(Re=10000~50000)、孔径比(d/H=0.5~0.9)和孔间距比(S/H=2~6)对流动及传热性能的影响规律,得到了相应的传热和摩擦关联式。结果表明:在不同雷诺数下,d/H从0.5到0.9变化时,通道压力损失系数降低了76%~79%,靶面平均努塞尔数降低了45%~49%;S/H从2增至6时,通道压力损失系数增加了1.64~1.92倍,靶面平均努塞尔数增加了54%~64%;增大d/H、减小S/H可有效提高类前缘通道蒸汽冲击冷却的综合热力系数。本文研究结果可为未来先进燃气轮机高温涡轮叶片蒸汽冷却结构的设计提供参考和借鉴。     

有内热源多孔介质通道中对流换热的研究—精确解

采用Darcy-Brinkman方程描述完全填充多孔介质平行平板通道内流动,分别利用局部非热平衡和局部热平衡模型,得出了温度分布和努塞尔数Nu的表达式。分别讨论了内热源、达西数Da、固相有效导热系数与流体有效导热系数之比κ和毕渥数Bi对无因次温度分布的影响,将两种模型计算得到的努塞尔数进行对比。结果表明,对于特定的参数,壁面处会出现热流分歧现象。达西数很小时,流体内部热源对无因次温度分布几乎无影响。存在内热源时,局部热平衡模型不再适用。     

竖直恒温面自然对流边界层不稳定性研究

在无扰动、随机式扰动以及正弦式扰动下,通过对竖直恒温面处状态Ra为1.328×10^9、Pr为6.24的自然对流进行模拟,探索了热边界层的不稳定性和共振强化自然对流换热。结果表明:(1)竖直自然对流边界层上游位置的随机式扰动对热边界层的影响主要体现在稳定阶段;(2)该状态下的竖直自然对流边界层的特征频率为15 067,且相比于无扰动状态,频率为15 067的正弦式扰动能在竖直恒温面处提高5.15%的换热量;(3)在竖直自然对流边界层上游位置加入特征频率的正弦式扰动,竖直恒温面处的局部努塞尔数Nu均出现明显波动,且波动随着边界层高度的增加而增大。     

Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中对流斑图的分区和成长

采用SIMPLE算法对二维流体力学基本方程组进行了数值模拟,研究了Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中对流斑图的分区、成长及水平流动对不同斑图特征物理量的影响.结果表明,上下临界雷诺数Re_u,Re_l将流动分成三个区域,即行波区、局部行波区、水平流区.Re_u和Re_l随着相对瑞利数r的增大而增大.在对流斑图的成长阶段,三种斑图随时间的成长过程是不同的,但对流圈都是从下游区开始成长;特征物理量随着时间的变化也是不同的,行波对流和局部行波对流的最大垂直流速wmax和努塞尔数Nu经过指数增长阶段后进入周期变化的稳定阶段;水平流斑图的w_(max)和Nu经过缓慢增长后又缓慢降到稳定值.三种斑图的w_(max)和Nu随雷诺数Re增大而减小,不同斑图区域有不同的变化规律.本文给出了Re_u和Re_l随r的变化关系式及不同斑图的w_(max)和Nu随着Re的变化关系式.     

微重力环境中空气流动与辐射热损失对火焰传播的影响

本文建立了包含辐射热损失的火焰沿热薄燃料表面传播的数学模型。燃毁点的密度作为待求参数出现在模型中。数值计算结果表明,在微重力环境中,火焰传播速度随空气流动速度的变化出现峰值。对比无辐射热损失模型和有辐射热损失模型的计算结果发现,辐射热损失是形成上述微重力燃烧特征的原因。在静止的微重力环境中或弱空气流动速度下,辐射热损失使燃毁点处有大量的残碳生成,但随着空气流动速度的增大,残碳生成量迅速减小。     

微重力下环境压力对火焰传播的影响

研究表明,在微重力环境中,当强制对流速度很小时,环境压力的增大会加强氧气的扩散,减弱辐射热损失对火焰的冷却效应,使火焰传播速度增大。但随着强制对流速度的增大,对流成为质量传递的主要途径,化学反应速率受化学反应动力学因素控制,火焰传播速度对压力的变化不敏感。