基于变物性影响的一侧全开式圆柱形腔体内传热特性的数值模拟

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不同加热边界开口腔体内热损失(传热)特性的研究广泛地应用于电子器件冷却、蓄热工程、建筑节能和其它一些动力工程领域,尤其是太阳能腔式吸热器。太阳能腔式吸热器是太阳能热发电系统中由太阳辐射能转化为热能的关键部件,通过吸热器腔体的热损失主要由腔体采光口对流热损失、腔体内表面通过采光口的辐射热损失以及腔体外壁所覆盖保温层的导热损失等组成,分析计算这些热损失对提高腔式吸热器热性能显得尤其重要。本课题借助数值模拟手段,在均匀壁面热流条件下,对基于变物性和壁面热辐射影响的圆柱形腔体内的热损失(传热)特性进行研究,通过求解圆柱形腔体内部以及腔体壁面和保温层的控制方程,得到圆柱形腔体内的温度与速度分布,分析腔体倾角、热流密度、表面发射率以及深径比Ar等对腔体内传热特性的影响,并获得了相关传热关联式;同时对是否考虑辐射时在不同加热边界下腔体内的传热特性进行对比,三种加热边界分别为:(i)只有底面加热;(ii)只有侧面加热;(iii)底面和侧面同时加热。研究表明,在热流密度较小不考虑辐射热损失时,随着腔体壁面热流密度增大,腔体内壁面上平均温度将升高,平均努赛尔特数增加;随着腔体倾角的增大,平均努赛尔特数减小。定热流下的圆柱形腔体内和开口面的温度和速度分布、腔体内壁平均温度、离开口面不同距离的腔体轴向不同截面上的周向最高温度与最低温度之差(周向温差)、底面与侧面的平均温差、腔体内壁的平均努赛尔特数等自然对流特性不仅受到热流密度和腔体倾角的影响,还要受到腔体壁面加热边界的影响;特别是只有底面加热的工况i与都存在侧面加热的工况ii和iii相比,其自然对流特性相差较大。考虑辐射热损失时,热流密度,腔体倾角、深径比以及表面发射率均会对对流热损失平均努赛尔特数Nuc和辐射热损失平均努赛尔特数Nur产生一定的影响,呈现出不同的增大或减小规律;在总热损失一定时,随着倾角的增加,导热和辐射热损失都增加,自然对流热损失下降;且其中的导热和辐射热损失比例相对大小与总热损失大小有关。在加热量、深径比和表面发射率均相同时,在不同的腔体倾角下,工况ii时腔体内温度分布最均匀;腔体壁面平均温度和腔体底面与侧面的平均温差在工况i最大,工况iii次之,工况ii时最小;Nuc和Nur在工况ii时大于工况i和工况iii。在加热量、腔体倾角、表面发射率相同时,在不同深径比下,腔体壁面平均温度在工况i时最大,工况iii次之,工况ii最小;腔体底面与侧面的平均温差在工况i时比工况ii和工况iii大得多。三种工况对应的Nuc相差很小,而工况i的Nur在小深径比时略大于工况ii和工况iii时相应的值。三种工况下的腔体底面与侧面的平均温差在不同倾角下都随着深径比的增加而增加,且在中等角度达到最大值。另外,三种工况下均发现考虑辐射可以使腔体内温度分布更均匀;且随着发射率的增加,腔体底面与侧面的平均温差减小。Nuc在腔体内表面发射率为零和不为零时的相对大小随壁面加热边界条件的不同而不同。
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