水平同心圆柱环内自然对流换热研究

摘要

外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环形结构因具有良好的隔热效果，在工程上得到了广泛的应用，而水平同心圆柱环形结构的隔热降温效果受环内流体流动换热影响大，且目前缺乏外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环内自然对流换热特性研究，因此针对外壁温度高于内壁温度的水平同心圆柱环形结构，数值模拟研究了普朗特数为0.7情况下间隙比（内圆直径与环间距之比，即δ）在0.1～14以及瑞利数在10～3～10～7时环内自然对流流动模式与传热。使用流线和等温线分别表示出计算的流动模式和温度场，并研究了间隙比和瑞利数对圆柱环内壁面的平均努谢尔特数的影响。研究发现：在低瑞利数时整个间隙比范围内都存在稳定的月牙形流型，此外还观察到4种不同的流动模式，即二维漏斗振荡流、三维螺旋流、二维多涡流、二维多涡振荡流。这4种流动模式在较高的瑞利数时出现，具体取决于间隙比。根据流动模式的分布特征，整个间隙比可分为3部分，即宽间隙（δ=0.1～2）、中等间隙（δ=2～8）和窄间隙（δ=8～14）,给出了不同间隙比范围内环内壁面平均努谢尔特数与间隙比和瑞利数的相关方程，其相关系数（R²）大于0.990 2。

关键词

水平同心圆柱环 / 数值模拟 / 自然对流 / 流动模式 / 传热

基金资助

国家自然科学基金资助项目(No.51274098;51134005)