建筑材料中封闭方腔空气层自然对流换热的研究探讨
复杂方腔内自然对流换热数值模拟分析
复杂方腔内自然对流换热数值模拟分析近些年来，由于能源的短缺以及减少环境污染的政策，节能技术的重要性和发展趋势日益受到重视，因此在建筑设计和管理中深入了解建筑的换热特性和热工性能尤为重要。
在建筑环境中，复杂方腔内自然对流换热是一个重要的热工问题，它与建筑设计有着重要的关系。
因此，有必要进行深入的研究以更好地理解复杂方腔内自然对流换热的本质。
首先，介绍了复杂方腔内自然对流换热的定义和内容，并且系统地介绍了其形成的机理和规律。
复杂方腔内自然对流换热是指当两个不同温度的流体在一个复杂封闭系统内运动时，由于温度差形成的对流换热现象。
主要有三种形式：对流换热、辐射换热和湿热传递。
其中湿热传递是一种特殊的换热方式，即当水分析物参与换热过程时，所产生的换热是由水蒸气的蒸发而产生的。
其次，介绍了复杂方腔内自然对流换热的模拟和数值模拟，以及其用于热工分析的重要性。
目前，数值模拟是复杂方腔换热问题研究的主要方法，它可以更好地反映复杂方腔内自然对流换热的形式，同时也可以有效地捕获和分析复杂方腔内温度场和流场的变化特点。
数值模拟的原理是通过分析非统一的方程来描述空间和时间温度场的变化规律以及湿热传递过程，并以此为依据定量分析复杂方腔内自然对流换热的特征。
最后，就复杂方腔内自然对流换热的实际应用及其发展趋势进行了概述。
目前，复杂方腔内自然对流换热的研究应用广泛，包括室内热环境模拟、室内太阳光辐射分析、建筑物热舒适度分析等，另外，复杂方腔内自然对流换热还可以用于热力机车热力学分析、换热器性能研究以及汽轮机热循环系统的研究。
从长期来看，复杂方腔内自然对流换热的研究将会更加深入，以更优的方式分析复杂的换热过程，并有效地提高热工性能。
综上所述，本文对复杂方腔内自然对流换热的定义、机理以及模拟、数值模拟和实际应用等方面进行了深入的分析，从而更好地理解和把握复杂方腔内自然对流换热的本质，并且有助于更好地利用和提高热工性能。
综上所述，复杂方腔内自然对流换热是建筑环境中一个重要的热工问题，为了更好地理解和把握它的本质，有必要进行深入的研究来进行模拟和数值模拟，以及通过实际应用来提高热工性能。
方腔内混合对流换热的数值研究与模型实验
方腔内混合对流换热的数值研究与模型实验近年来，随着科学技术和经济的快速发展，传热学作为一门基础理论研究在应用工程领域中越来越受到重视。
由于高温工程的日益发展，如冶金、汽车、发动机等，在技术、物理和计算上的换热研究的重要性也在增加，而混合对流换热（CFD）几乎成为传热学中最基本的研究内容。
为了理解和研究方腔内混合对流换热，对它进行数值研究和实验研究是必要的。
方腔换热是一种常用、高效的换热方式，它不仅可以较好地满足多变条件下的换热，而且可以更好地满足被热物质的加热均匀性需求。
本文将介绍方腔内混合对流换热的数值研究和模型实验，主要包括以下四个方面：（1）方腔换热的基本原理；（2）采用实验方法研究方腔换热的过程；（3）建立方腔换热的数值模型；（4）介绍混合对流换热的实验研究。
首先，讨论方腔换热的基本原理。
当被热物质在原始状态下暴露在高温热源下时，温度逐渐升高，当温度达到隔热器内壁表面时，传热开始，热量通过传热从热源传到被热物质。
在传热过程中，传热可以由散热、辐射或混合方式进行。
在方腔内，传热过程在多个方式下发生，也就是混合对流传热，其中包括对流、辐射和散热。
其次，将介绍实验方法用于方腔换热的研究。
对流换热的实验中，采用壳式热量器作为实验装置，在室温~800℃范围内进行试验，可采用各种介质，从而比较不同介质对换热效率的影响。
再次，探讨建立方腔换热的数学模型。
建立数学模型的目的是为了表示实际方腔换热的热流率，以及温度的分布情况。
为了确定方腔内混合换热的数学模型，我们采用体积热力学方程、传热方程、湿热Fourier方程、稳态方程等方面的研究，并使用数值计算的方法确定方腔换热的数学模型，以及求解物质在方腔内混合换热过程中的温度分布情况。
最后，介绍混合对流换热的实验研究。
对流换热的实验将采用非热源模型实验装置，比较其与热源模型实验装置之间的传热行为差异，以研究非热源模型实验装置的传热特性，以更加准确的表示方腔内混合换热的数学模型。
封闭方腔自然对流换热
封闭方腔自然对流换热描述该物理模型的无量纲方程组为：连续性方程：()()0d U d U dx dyρρ+= 动量方程：2222U V P U U U V X Y X X Y ∂∂∂∂∂+=-++∂∂∂∂∂ 2222PrU V P U U RaU V X Y X X Y ∂∂∂∂∂+=-+++Θ∂∂∂∂∂ 能量方程：22221Pr U V X Y X Y ⎛⎫∂Θ∂Θ∂Θ∂Θ+=+ ⎪∂∂∂∂⎝⎭其中，无量纲几何参数,x y XY l l == ；无量纲速度ul U v =，vlV ν= ；无量纲压力()02/p gy p v l ρρ+=，无量纲温度0h c T T T T -Θ=-；普朗特数Pr pc v a lμ==；瑞利数()3h c g T T l Ra va β-=，空气的体胀系数1pT ρβρ∂⎛⎫=- ⎪∂⎝⎭，λ 为空气的导热系数。
、具体模拟计算参数：55353,500,360,0.0033331.74510,Pr 0.712, 2.36101.11/, 1.9310h c L m T K T K v a kg m βρμ---=====⨯==⨯==⨯对方腔划分网格，采取的是60⨯60网格，，壁面处加密。
在FLUENT 软件中，使用分离求解器求解控制方程组。
材料的物性设置密度使用Boussinesq 假设。
本例主要分别计算了数为34456110,110,510,110,110⨯⨯⨯⨯⨯的情况。
压力插值方案选择Body Force Weighted 格式；压力-速度耦合方程用SIMPLE 算法；动量、能量方程选择二阶迎风格式。
有公式：()3h c g T T l Ra vaβ-=可得对应的g 入下表所示本模拟与文献中的Nu 比较模拟图对比：Ra=3110⨯ T VRa=4110⨯ T VRa=4510⨯ T VRa=5110⨯ T V。
内置发热体的封闭方腔自然对流换热数值模拟_张敏
P = p/ /H 2,
T = t - tc / th - tc , Pr = / ,
Ra = g th - tc H 3 /
其中, u、v 分别为 x 和 y 向流体速度分量, p 为
压力, 、 、g 、 、 分别为热扩散系数、运动黏
度、重力加速度、热膨胀系数和密度, th 为热源表
面的温度, tc 为冷壁面温度。
采用了 50 100、60 120、70 140、80 160 四
套均匀网格进行模拟计算, 结果发现, 70 140 网
格计算结果可看成与网格无关的解, 因而计算中最
终采用的网格为 70 140。
为了验证计算方法的正确性, 采用文献 [ 12]
的条件进行计算并与之对比, 结果见表 1, 相对误
差不超过 2% , 间接说明本文数值方法及精度的可
关键词: 自然对流; 封闭方腔; 内热源; 数值模拟
中图分类号: T K 124
文献标识码: A
文 章编号: 0438- 1157 ( 2010) 06- 1373- 06
N umerical simulation o f natural convection in rectangular cavities w ith a heater of variable dimension
热源位于空腔中心位置时的自然对流换热问题进行 了研究, M anab 等[ 3] 对 具有导热性的 正方形物体 位于方腔中心位置时倾斜角度对腔体内自然对流的 影响进行了研究, Z hao 等[ 4] 研究了封闭方腔同时 存在内外热源的自然对流换热问题, Zekeriya 等[ 5] 研究了中心具有一竖直发热板的封闭方腔内自然对 流换热问题, Do ng 等[ 6] 研究了圆形内热源对方腔 自然对流换热 的影响, T asaka 等[ 7] 研究了内热源 在竖直方向上分布的方腔自然对流换热问题, 罗军 等[ 8 ] 研究了方腔中心放置不同材料内置物的自然对
方腔内热磁致空气自然对流数值研究
方腔内热磁致空气自然对流数值研究宋克伟;王良璧;李奇威【摘要】Magneto-thermal natural convection of air in a square enclosure under gravity field and together with a non-uniform magnetic field provided by a permanent Neodymium-Iron-Boron mag-net is numerically studied.The physical fields of magnetizing force,velocity and temperature as well as the local distribution characteristics of Nusselt number are all presented in this paper with Rayleigh number 105 and with the residual magnetic flux density ranges from 0.5 T to 3.5 T.The results show that the natural convection of air in the square enclosure under the magnetic and gravity fields is quite different from that under the gravity field alone.The natural convection is decreased when the magnetic field is added to the gravity field as the model studied in this paper and the inhibitory effect increases with increase of magnetic filed strength.The velocity and tem-perature fields and the distribution of the local value of Nusselt number are quite different from that under the gravity field alone.Under the magnetic field supplied by a permanent magnet with a residual magnetic flux density 3.5 Tesla,the value of Nu drops by 47%.%建立了处于空间中的孤立永磁体产生的永磁场中的二维方腔热磁自然对流模型，并通过数值计算的方法研究了方腔内空气在重力和磁化力驱动下的自然对流现象.在瑞利数105和磁场强度0.5~3.5 T范围内，研究了梯度磁场对自然对流的抑制作用，给出了方腔内磁浮升力场，温度场、流场的变化以及方腔内壁面的换热特性.结果表明：高剩磁钕铁硼永磁体磁场可以明显的抑制方腔内自然对流，与重力场自然对流相比，方腔内流场和温度场发生了明显的变化，剩磁3.5 T时Nu减小达47%.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P105-109,118)【关键词】自然对流;永磁体;永磁场【作者】宋克伟;王良璧;李奇威【作者单位】兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100191【正文语种】中文【中图分类】TK121方腔内的自然对流与很多环境和工业应用相关，比如太阳能空气集热器、太阳能烟囱、核和化学反应器、电子设备的冷却以及大空间空气调节等.文献［1-3］已对方腔内不同热边界条件下（水平方向温差或垂直方向温差）的自然对流进行了大量研究.近年来随着高温超导材料的发展，借助超导磁体可以产生高达10T的强磁场，一些新的发现也随着超强磁场的应用逐渐被认识［4-6］.日本学者Wakayama［5-6］通过对气体流动和燃烧的磁效应的研究，建立了磁空气动力学.Ozoe等［7-8］对超导磁体磁场作用下空气和磁流体的自然对流换热进行了深入研究.但是，现有关于磁场在对流换热领域应用研究中使用的基本都是超导磁体产生的强磁场，而且往往被看作是均匀磁场.由于永久磁体特别是孤立永久磁体磁场计算比较复杂且永磁体的磁场强度较弱，关于永久磁体所产生的不均匀磁场作用下的流动传热问题的文献非常少见.随着永磁体技术的发展，钕铁硼永磁体具有剩磁大和矫顽力高的特点，逐渐在各个领域广泛应用.高磁能积使得钕铁硼所产生的磁场可以容易地将空气磁化并驱动空气产生自然对流.本文首先通过数值方法获得空间中孤立钕铁硼永磁体所产生的磁场，然后研究了磁场对物理不稳定方腔内自然对流的抑制作用以及磁场强度变化对方腔内流场和温度场的影响.1 物理模型任何介质在磁场中都受到磁场力的作用，磁化力的大小取决于外加磁场和物质本身的性质.空气各组成气体中，O2和NO具有顺磁性，而N2，CO，CO2具有逆磁性［9］.O2的容积磁化率为141.3×10-9，N2为-0.39×10-9，CO2为-0.78×10-9，CO为-0.44×10-9，NO为60.3×10-9.混合气体的磁化率χc与各成分容积磁化率χ和体积含量φ之间的关系如下［9］：式中：χˊ为非氧成分气体的磁化率.由于非氧成分各气体的容积磁化率均很小并且有正有负，基本互相抵消，式（1）中第二项可忽略.因此，空气在磁场中会被磁化而呈现顺磁性.建立如图1所示模型，钕铁硼永磁体位于两维方腔上方，永磁体边长为0.05 m，剩磁沿着z方向.方腔边长为0.05m，位于永磁体中心界面并与永磁体间隔1mm.方腔上下表面温度保持不变，其中下表面被加热，上表面被冷却，左右两面绝热.图1 物理模型Fig.1Physical model2 数学公式磁性气体在磁场中受到的磁化力［10］可以表示为包含磁化力的动量方程为方腔内充满空气，假设空气为不可压缩牛顿流体，满足Boussinesq假设.当方腔内空气处于温度均匀稳定状态时，空气密度及磁化系数都是常数，自然对流不会在方腔内产生，这时式（3）满足：下标0表示在参考温度下的参数值，不带下标的则表示随温度变化的参数值.式（3）减式（4）有：理想气体热膨胀体积系数可表示为根据居里定律，磁化系数是温度的函数，则：密度差和ρχ差值可由泰勒展开式在参考温度下展开求得（略去高阶项）：因此，在磁场和重力场中方腔内空气自然对流可以表示为连续性方程：令：p＝p0＋p′，动量方程：能量方程：无量纲数为永磁体磁感应强度可表示为式中：M为永磁体剩磁强度.空间孤立体永磁体磁场的计算可参照文献［11］，计算所得方腔内的磁场及磁力线如图2所示.图2 方腔内永磁场及磁场线Fig.2 Permanent magnetic field and magnetic field line in square enclosure3 数值方法采用Simple算法［12］求解方腔内的流动与传热耦合问题.在三组网格（x×z）：62×62，82×82，102×102之间进行了数值解的网格独立性考核，如表1所示.在Ra＝105，Br＝0时，三组网格计算所得Nu的最大差别小于0.5%.为考核数值结果的正确性，本文采用网格82×82所得计算结果与文献［13］中数据误差小于0.03%.文中计算结果均采用网格82×82，计算所用其它物理参数如表2所示.表1 网格独立性考核（Pr＝0.7，Ra＝105，g＝9.8m·s-2）Tab.1 Grid independence assessment（Pr＝0.7，Ra＝105，g＝9.8 m·s-2）网格Nu62×62 4.540 82×82 4.523 102×102 4.520 K.Khanafer［13］4.522表2 物理参数（300K，1atm）Tab.2 Physical parameters（300 K，1 atm）计算所用物理量数值重力加速度（g）9.8m·s-2普朗特数（Pr） 0.702空气密度（ρ）1.177kg·m-3动力粘性系数（ν）15.718×10-6 m2·s-1粘性系数（μ）18.5×10-6 Pa·s真空磁导率（μ0）4π×10-7 H·m-1导热系数（λ）2.646×10-2 W·（m·K）-1热扩散系数（α）22.45×10-6 m2·s-1质量磁化系数（χO2）1.738×10-6 m3·kg-1体积膨胀系数（β） 1／300.0K-1冷面温度（Tc）300.0K 4 结果及分析4.1 磁浮升力场在Ra＝105和不同磁场强度下（Br＝0.5T，1.5T，2.5T，3.5T），方腔内空气所受磁浮升力如图3所示.磁浮升力在方腔内关于z向中线对称分布，且随着永磁体距离的增加而减弱.随着磁场强度的增强，磁浮升力也逐渐增大.由于永磁体位于方腔上部，因此，空气所受磁浮升力在z向的分量为负值，与重力浮升力方向相反. 4.2 速度场不同磁场强度下，方腔内自然对流速度场如图4所示.由于磁场与重力场方向相反（z向），空气所受重力和磁浮升力的合力随着磁场强度的增加而减小，使得空气自然对流的强度也随之减弱.在磁场强度较弱（Br＝0.5T）时，磁浮升力很小（见图4a），磁场对自然对流的影响也较小，方腔内自然对流主要受重力浮升力的主导.方腔内速度场与重力场下的速度场非常相似，在方腔内形成一围绕方腔中心旋转的涡.随着磁场强度的增加，磁场对自然对流的抑制作用逐渐增大.从图4中可以看出，方腔内自然对流的速度随着磁场强度的增加而减小，强度明显减弱.磁场强度增加时，方腔内流场结构与重力场相比发生了明显的变化，方腔内形成一对关于z向中线对称且旋转方向相反的涡.在磁场强度Br＝2.5T时（见图4c），在方腔上部靠近永磁体处，在磁浮升力的作用下形成第二对新的反向旋转的涡.随着磁场强度的进一步增大（Br＝3.5T），磁场对自然对流的影响逐渐增强，第一对涡的强度逐渐减弱，而第二对涡的强度逐渐增强，如图4d所示.从图5方腔内流线图中可以清楚的看出这两对涡的位置变化关系.在磁场强度较弱时，Br＝0.5T（见图5a），在方腔中心形成一逆时针旋转的涡，流线关于中心旋转对称，并且中心涡的诱导下，在方腔左上角和右下角区域还存在两个旋转方向相同的较小的涡.在磁场强度增加到1.5T时（见图5b），方腔内形成一对反向旋转的涡，涡的中心在方腔中心以下.随着磁场强度增加到2.5T，在磁浮升力较大的区域（方腔上部）形成第二对新的反向旋转的涡，如图5c所示.随着磁场强度的进一步增大（Br＝3.5T），第二对涡向下移动且强度逐渐增大，如图5d所示.图3 磁浮升力场Fig.3 Magnetic buoyancy force field图4 速度场Fig.4 Velocity vector field4.3 方腔内温度场不同磁场强度下，方腔内温度场如图6所示.在磁场强度较弱时（Br＝0.5T），磁场对自然对流的影响较小，温度场如图6a所示.在方腔冷热面上，温度梯度最小处位于方腔热壁靠近左壁面和冷壁靠近右壁面处.而在磁场强度较大时，流场在方腔内对称，温度场也关于z向中心线对称分布，如图6b-6d所示.方腔内热壁附近靠近热壁中心处的温度梯度最大，两端温度梯度最小，而冷壁附近靠近中心处的温度梯度则最小，而在两端的温度梯度最大.图5 不同磁场强度下，方腔内流线分布Fig.5 Streamlines under different magnetic field strength图6 不同磁场强度下方腔内温度场Fig.6 Temperature fields under different magnetic field strength4.4 壁面Nu分布磁场强度变化对方腔内壁面局部Nulocal的影响如图7所示，随着磁场强度的增加，壁面局部Nulocal逐渐减小.图7a为热壁表面Nulocal的分布曲线.在磁场强度较弱（Br＝0.5T）时，磁场对方腔内自然对流的影响非常小，热壁表面局部Nulocal变化非常小，基本与重力场下的数值重合.在磁场强度增加到1.5T时，磁场对方腔内自然对流的抑制作用增强，方腔内流场结构的变化也改变了内壁的换热特性.热壁表面Nulocal关于壁面中心呈两边对称分布.由于温度梯度在中心处最大，因此Nulocal在中心处也最大，从中心点向两边逐渐减小.图7b为冷壁表面Nulocal分布，在磁场强度较弱时，冷壁局部Nulocal的分布与热壁相似，但当磁场强度较大时，冷壁Nulocal分布与热壁不同.壁面Nulocal虽然也关于壁面中心对称分布，但Nulocal变化相对平缓且最小值在冷壁中心处.Br＝1.5T时，最大值在x／L＝0.25，0.75处.在Br＞1.5T时，由于靠近冷壁处第二对反向旋转涡的影响，Nulocal在冷壁两端取得最大值.图7 磁场强度对壁面Nulocal的影响Fig.7 Effect of magnetic field strength on Nulocal方腔内平均Nu随着磁场强度的变化如图8所示，Br＝0表示方腔仅处于重力场中.从图8中可以明显的看出，在磁场强度较小时（Br＝0.5T），Nu变化不大.随着磁场强度的增加，磁场对自然对流的抑制作用逐渐增大，方腔内平均Nu迅速减小.在Br＝3.5T时，方腔内平均Nu下降了近47%.图8 磁场强度对平均Nu的影响Fig.8 Effect of magnetic field strength on Nu 5 结论本文通过数值方法获得了处于空间中孤立永久磁铁产生的磁场，并研究了不同永磁场强度对方腔内自然对流的抑制作用.在永磁场强度小于0.5T时，磁场与重力场相比对自然对流的影响比较微弱.随着磁场强度的增大，方腔内自然对流的强度和换热逐渐减弱.在Br＝3.5T时，方腔内自然对流的流场结构和壁面Nu分布规律发生明显变化，平均Nu减小约47%.【相关文献】［1］ Yang K T.Natural convection in enclosures，in handbook of single phase convection heat transfer［M］.New York：Wiley，1987.［2］ De Vahl Davis G.Natural convection of air in a square cavity：a benchmark numerical solution［J］.Int.J.Numer.Methods Fluids，1983，3：249-264.［3］ Fusegi T，Hyun J M，Kuwahara K，et al.A numerical study of three dimensional natural convection in a differentially heated cubical enclosure［J］.Int.J.Heat Mass Transfer，1991，34（6）：1543-1557.［4］ Braitewaite D，Beaughnon E，Tournier R.Magnetically controlled convection in aparamagnetic fluid［J］.Letters to Nature，1991，354（14）：134-136.［5］ Wakayama N I.Behavior of gas flow under gradient magnetic fields［J］.J.Applied Physics，1991，69：2734-2736.［6］ Wakayama N I.Magnetic promotion of combustion in diffusion flames［J］.Combustion Flame，1993，93：207-214.［7］ Tagawa 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内置热源结构对封闭腔内湍流自然对流传热特性的影响研究
内置热源结构对封闭腔内湍流自然对流传热特性的影响探究专业品质权威编制人：______________审核人：______________审批人：______________编制单位：____________编制时间：____________序言下载提示：该文档是本团队精心编制而成，期望大家下载或复制使用后，能够解决实际问题。
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具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性研究
具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性研究具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性研究摘要：本文研究了具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性。
通过数值模拟，分析了不同翅片尺寸和壁距对流体流动和传热性能的影响。
结果表明，内置翅片可以显著提高传热效果，但过小或过大的翅片尺寸会降低传热效率。
此外，壁距的减小对传热性能有着重要影响。
关键词：内置翅片，封闭腔，湍流自然对流，传热特性，数值模拟1. 引言传热是许多工程和科学领域中的重要问题，对于高效能源利用和设备性能提升具有至关重要的作用。
在许多场景中，封闭腔内自然对流传热是一种重要的传热方式，例如电子设备散热、空调通风系统等。
为了提高自然对流换热效率，研究者们提出了许多增强技术，其中之一就是利用内置翅片。
2. 方法在本研究中，我们使用数值模拟方法来研究具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性。
首先，我们建立了一个封闭腔的几何模型，并在腔体内部设置了一定数量和尺寸的翅片。
然后，我们使用计算流体动力学（CFD）软件对流动和传热进行模拟和分析。
3. 结果与讨论通过数值模拟，我们研究了不同翅片尺寸和壁距对流动和传热性能的影响。
结果显示，适当尺寸的翅片可以显著增强传热效果。
当翅片尺寸过小时，由于翅片表面积有限，传热效果受限。
同时，翅片尺寸过大将会增加阻力，导致流动减缓，影响传热效果。
因此，选择合适的翅片尺寸对于改善传热效率非常重要。
此外，我们还研究了壁距对传热性能的影响。
结果显示，减小壁距可以增强对流传热，因为较小的壁距会增加翅片表面积，提高换热率。
然而，当壁距过小时，由于过于密集的排列，流动率降低，反而降低传热效率。
因此，选择合适的壁距是优化传热性能的关键。
4. 结论本研究通过数值模拟研究了具有内置翅片的封闭腔内湍流自然对流传热特性。
结果表明，内置翅片可以显著提高传热效果，但过小或过大的翅片尺寸会降低传热效率。
同时，适当减小壁距也可以增强传热性能。
这些研究结果对于设计和优化具有内置翅片的封闭腔传热器具有一定的指导意义。
封闭腔内自然对流的数值研究
封闭腔内自然对流的数值研究金涛【摘要】在本文的研究当中,笔者利用SMPLE算法,采用二阶迎风格式的对流扩散项,,建立了封闭腔内的自然对流物理模型,并通过该物理模型计算与研究了在封闭腔内部的自然对流换热.本文的研究最终得出,在一定的Ra下,长度不同的阻流件的平均Nu数,有水平阻流件的封闭方腔与无阻流件时相比,相同条件下自然对流的换热系数随阻流件长度的增加先略减少,然后增加.同时在阻流件的长度发生变化的前提之下,封闭腔内部的环流也会随着增加,一般会增加2个或者3个,另一方面,不同壁面上的阻流件的布置方式也会对换热产生不同的影响.【期刊名称】《赤峰学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】2页(P6-7)【关键词】不可压Navier-Stokes;Boussinesq方程组;自然对流;数值算法【作者】金涛【作者单位】中国矿业大学银川学院,宁夏银川 750021【正文语种】中文【中图分类】O35在实际的工程应用当中，如建筑的暖通空调与制冷装置的设计当中，当封闭腔内存在一定量的空气时，内壁与外壁之间会存在着一定的温差，从而导致空气会产生自然对流的现象.许多专家与学者对此问题进行了研究，研究的主要方式都是通过建立必要的数学分析方程组，并对其进行求解，从而得出封闭腔内部气体的运动规律，这些研究也被广泛的运用在最近几年的工程实际当中[1].为了使得封闭腔内的换热得以有效的减弱，往往会在封闭腔内部设置竖直隔板，从而使得封闭腔可以被完全或者部分隔断.在实际的工程运用当中，人们发现对存在水平等温阻流件的封闭腔进行研究具有非常重要的实际应用价值，基于此种情况本文的研究是针对存在水平等温阻流件的情况下进行的，通过研究之后得到了水平阻流件对封闭腔内部自然对流传热的影响.2.1 物理模型的建立本文当中所研究的物理模型如下图1当中所示，在该模型当中封闭腔的长度为L，腔壁为上下绝热，两侧等温，其中热壁的温度为Th，冷壁的温度为Tc，同时在腔壁上还存在着水平阻流件，阻流件的长度为h，厚度为Ø，因此就可以将该问题的物理模型简化在二维当中，在封闭腔内部的气体的密度变化与不可压气体的理想气体方程之间存在着高度的一致性，所有的参数均取做常数，Ra=gβΔTL3/(αv),在该方程当中，α表示的是热扩散系数，g表示的则是重力加速度，β为流体容积膨胀系数，L为特征尺度,v为运动粘度,温度的差值则表示为ΔT=Th-Tc,在本文的研究当中Ra=1.0× 105.2.2 控制方程的建立在封闭腔内部发生自然对流换热的速度以及温度的边界条件为：绝热壁面的速度与温度的梯度都需要保持为0，同时隔热板与左壁面的温度保持在Th，右壁面的温度则保持在Tc，水平阻流件的长度则分别为L1与L2.则可以采用以下数学方程对其进行描述[2].2.3 计算结果采用有限容积法建立相关方程，方程的求解采用SMP L E方法，采用二阶迎风格式的对流扩散项，将100×100的均不网格设定为计算网格.2.3.1 阻流件长度变化而导致的流场和温度场的变化在阻流件的长度发生变化的过程当中，封闭腔内部的流场也会产生较为明显的变化，尤其是当封闭腔没设置的阻流件的长度较长时，开始的环状流场会被不断的压缩，最终形成两个流场，在这个过程当中等温线则会受到压缩，在下图当中，给出了当隔板的相对长度为0.1、0.4与0.6时的温度场与流场的变化.2.3.2 N u数的变化在上图五当中，笔者对存在水平隔板的情况下，封闭腔内部自然对流随着阻流件长度的变化N u数所发生的变化，从上图当中我们可以发现，在阻流件长度发生变化的前提下，封闭腔内部的自然对流的强度也会发生一定的变化，随着长度的增加，强度首先是从高到低变化，随后则不断增高，同时上升的趋势也逐渐平缓，在阻流件的长度超过0.5时，上升的幅度不断增加.导致这一现象的主要原因在于长度较低的阻流管会对环形流场造成一定的破坏，但是随着阻流件长度的增加，封闭腔内部的环流被压缩成两个，则使得封闭腔内部的气体流动速度得以增强，随着长度的进一步加大，环流被进一步压缩，从而使得对流明显增强[3].（1）随着阻流件长度的增加，封闭腔内部的环流数量会不断增加，先是增加一个，最后增加两个.（2）随着阻流件长度的增加，在封闭腔内部所发生的对流换热的强度在刚开始时会发生一定的下降，随后开始稳步上升.（3）不同的阻流件布置方式会对封闭腔内部的流场以及对流换热的强度都会发生一定的影响[4].〔1〕Oztop H F,Abu-Nada E.Numerical study of natural convection in partially heated rectangular enclosures filled w ithnanofluids[J].International Journal of Heat& Fluid Flow,2008,29(5):1326-1336.〔2〕Davis G D V.Natural convection of air in a square cavity,a benchmark numerical solution.Int J Numer Methods Fluids 3:249-264[J].International Journal for Numerical Methods in Fluids,1983,3(3):249-264.〔〕International Journal for Numerical Methods in Fluids, 1994,18(7):695–719.〔3〕王宇飞,徐旭,王文龙,范利武,俞自涛.封闭腔内Al_2O_3-EG纳米流体自然对流传热特性的数值研究[J].能源工程,2014（01）:1-6.〔4〕阳祥,陶文铨.高瑞利数下封闭腔内自然对流的数值模拟[J].西安交通大学学报,2014（05）:27-31.。
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角 度 方腔 的长 宽 比 Ａ 对 封闭 方腔 空气 层 自然 对 流 腔 内 的 自然对 流 问题 ． 体求 解 了原 始变 量 速度 和压 ｒ 具 换 热的影 响 相 对 于国外 学 者在 此领 域 的研究 成 果 ． 国内也 有 力 的不可压 Ｎ ｖ ｒＳｏ ｅ 方 程和 温度方 程 ａｉ — ｔｋ ｓ ｅ
４ 墙材革新与建筑节能 ２ １． ８ ０２ ６
０
２２ 数 值模 拟方面 的研 究 ．
２２１ 国 内外 的 研 究现 状 ．．
建 筑 节 能
Ｂｕ ｌ ｉｇ Ｅｎ ｒ ｙ Ｓａ ｉｇ ｉ ｎ ｅ ｇ ｖｎ ｄ
究． 其研 究成 果具有 很好 的指 导意义 。
２２２ 数 值 研 究 方 法 的 比较 ．．
（ 乙烯 一 四氟 乙烯 共 聚物 ） ． 些 材 料 与 空 气 层 结 等 这
闭方 腔空气 层 夏季 的隔热 性能 非 常突 出 ． 架空 板下 的 合 广 泛 应用 在 建 筑 当 中 ．如 世 博 日本 馆及 德 国 的安 空 气 间层使 屋 顶 内外 的热 量交 换很 难 进行 ． 高 了屋 联 球场 等 提
、
有 限容 积 法 是 一种 将 计 算 域 划 分 成 一 系列 有 限
Ｓｈ ｉｔ 导 出了 Ｎ ＝（ ｒＡ ） ｃｍｄ 推 ｕ ｆＧ ， ｒ 的关 系 式 。 一次 建立 个 控 制体 积单 元 ．每 个控 制体 积 都有 一个 节 点代 表 ． 第
了 Ｎ 、 ｒＡ 三者 的关 系【 Ｌ ｕ 对 Ｂ ｕ ｓ ｅｑ流 然后 将守 恒 型方 程用 有 限体 积法 导 出离 散方 程 ． ｕＧ 、 ｒ ３ ｅＱ ６ 】 ： ｏｓｎｓ ｉ 最后
起 到 积极 的 指导 意义 的厚度 达 到 ２ ｒｍ后 ． 着 间层 厚 度 的增 大 ． 层 热 ０ ａ 随 间 阻 的增量 越来 越 小 ．特 别 是 当间层 的厚度 接 近 ４ ｒｍ ５ ａ
２ 研 究 现 状概 述
２１ 应 用 研 究 方 面 ．
时． 空气层 热 阻 已趋 于一个 常数 。 （ ） 薄 膜类 材料 中的应 用 。薄 膜类 材 料作 为 一 ４在
验 和数 值方 法 的研究 。研 究 成果 表 明 ： 闭方腔 内空 封 气 的导 热 和对流 换 热是 同时 存在 的 ． 且导 热 占主 导 并 地 位 的层 流 流动和导 热与对 流共 同作用 的层 流流 动存 求解 非定 常问题 ．对封 闭方腔空气 层 自然对 流换热 问 题进 行数值 求解 ． 这种新 的研 究方 法 ． 为进 一步研 究 封 闭方 腔 空气 层 自然对 流换 热 问题 提 供 了理 论 基 础 圈
由于空 气 具有 导 热系 数低 的 特点 ． 以封 闭方 腔 种 新 型 的建 筑 材 料 ， 有 美 观 、 质量 、 装 方 便 等 所 具 轻 安
空 气层 被广 泛应用 于建 筑材 料 中。目前 与 “ 空气层 ” 相 优 点 而且 这种 薄膜 结果 还 可 以和 “ 气层 ” 结 合 ， 空 相
的适应性。 。
１ｓ ， 封 闭空腔 垂直两 壁 间主要 是对 流传 热 ， 导 热 Ｏ）在 而 传热 主要 发生在 壁 面 附近 的薄 边界 层 上 ｆ Ｎ ｗ １ 法 简 单 能 够 处 理 任 何 复杂 网格 划 分 有 一 定 的局 Ｂ 的 边 界 条 件 ．特 别 是 多 连 通边 限性 ．在 解 决 三 维 问 ｏｔ ａ ｎ法 界 和 多孔 介 质 边 界 ｌｍ ｎ ｚ 编 程 容 易 。 题 还 需 进 一 步提 高 。
１ 前 言
面的平 均热 阻 ． 到 了很 好 的保 温 隔热作 用 。 起
（ ） － 玻璃在 外 围护结构 中的应用 。目前 ， ２ ｇ层 Ｙ 中空
改 善建 筑 材 料 的保 温 隔热 性 能 是 降 低建 筑 能 耗 玻 璃 广泛应 用 于各 类建 筑 当中 ． 用 的 中空玻 璃 空气 常 的 主要 途 径 之 一 由于 常 温 下 空 气 的 导 热 系数 Ａ 层 厚 度 为 ６ ： ｍｍ、ｒ １ｒ ９ ｍ、２ ｍ。通过 对 不 同类 型 玻璃 窗 ａ ａ ００ ６ （ Ｋ） 具有 很好 的保 温 隔热特 性 ， ． Ｗ／ｍ． ， ２ 因此 封 闭
行 概括 。 分 析 总 结 目前 在 这一 领 域 研 究 所 存 在 的 问题 并 提 出新 的研 究 方 向 ， 建 筑 材 料 和 建 筑 构 并 为
件 的生 产 提 供理 论 指 导 。
【 关键 词】 建 筑 材 料 ； 闭 方 腔 空气 层 ； 封 自然对 流 换 热 ； 值 方 法 数
有 关封 闭方 腔 空气 层 自然 对流 换 热 问题 的研 究 ，
封 闭 方 腔 的 自然 对 流 换 热 问 题是 计算 流体 力 学 与数 值 传 热学 研 究 的 经典 课 题 之一 ， 因此 ． 已经 有 多 而 这些 数值 方 法都 具 有各 自不 同 的优 缺点 ． 文 主要 本
见 ． 筑上使 用 中空玻璃 能提 高节 能水平 。 建
（） ３ 空心 墙体 、 空心 砌块 的应用 。封 闭方腔 空气 间
顶、 双层 玻 璃 、 空心 墙 体 、 心 砌块 等 ， 空 并且 产 品 规模 层被 广泛 应用 到墙 体 中 ， 中空节 能墙 体 、 墙等 ， 如 幕 与 有 逐 渐增 大 的趋 势 随着 我 国建 筑 节 能 工 作 的 全 面 传统 的实 心 粘 土墙 体 相 比 ．新 型 的空 心 墙 体 节 省材 铺 开 ．传 统 建 筑 材 料将 会 逐 步被 新 型 节 能 产 品所 替 料 ． 温性 能好 ． 保 具有显 著 的节 能效 果和 经济效 益 。空 代 而 目前 的产 品绝大 多 数 是 以工 程 经 验 和 实 验 作 气 间层 在 空 心砌 块 中应 用 与在 空 心 墙 体 中的 应 用 原 为 技 术 依据 ． 尚缺 乏准 确 的 科学 理 论 作 指导 。 因此 ． 理相 同 空 气 间层 传 热 是对 流 和辐 射 换 热 的 综 合 过 对 建 筑 材料 中封 闭 方腔 空 气 层 最佳 厚 度 的研 究 将 为 程 ． 流 换 热强 度 与 空气 间层 的 厚度 、 气 间 层 的设 对 空 建 筑 材 料 市 场 新 型 节 能 产 品 的开 发 与 生 产 提 供 科 置方 向和形状 、 密封 程度 等 因素 有关 。空气 间层 的厚 学、 准确 的理 论 依 据 ， 对建 筑材 料 市 场 的可 持 续 发 展 度是 空气运 动状 态 的重 要影 响 因素 。当封闭空 气 间层
体 的二 维非稳 态 控 制方程 进 行 时间积 分 ． 到 了在 垂 求解 这些离 散方 程 以获得变 量 的近似解 的计算 方法 得 直矩 形 腔 （ ｒ １ ） 气 的流动 特征 ． 实 了随着 Ｒ Ａ ＝６ 空 证 ａ的
谱 元 法 是 近些 年 来 开 始发 展 的一 种 高 精 度求 解
在 封闭方 腔空气层 自然对 流换热 的研究 中 ．压 力不 是
利用 以上三 种数 值方 法进 行 数值 模 拟 ． 笔者 计算
了 Ｒ 在 （０～ ０） ａ １３ １６的热壁 面平 均努 赛 尔数 （ ｕ ｖ ）见 Ｎ ａｅ ，
在 分界点 ：利用有 限元 的思想结 合谱方 法 的精 度考 虑 表 ２
建 筑 节 能
ＢｕｌｉｇＥｎ ｒｙＳａ ｉｇ ｉ ｎ ｅｇ ｖｎ ｄ
０
建筑材料中封闭方腔空气层 自然对流换热的研究探讨
陈 刚 孙 丁
（ 南华大学城 市建设学 院 ， 阳 ４ １ ０ ） 衡 ２ ０ １
【 摘 要］ 介绍封 闭方腔空气层在建筑材料 中的应用情况 ，对封闭方腔 自然对流换热的研究现状进
方法 有 限 容 积 法
表 １ 三 种 计 算方 法 的 比较
优 势 存 在 的 不 足
对 离 散 方 程 具 有 良 好 的 守 恒 求 解 比较 困 难 ．对 二 性 ． 区 域 形 状 适 应 性 强 ． 较 次 元 和 高 次 元 格 式 是 对 有 广 泛 的 商业 软 件 支 持 。 不合适。
格 子 Ｂ ｈｍａ ｎ法 已 经 成 为 替 代 解 决 Ｎ ｖｅ— ｏｚ ｎ ａｉ ｒ 数值模 拟方 法 的一种新 兴而 有效 的计算 方法
许 多 学者 对 封 闭 方 腔空 气 层 的 流动 与 换 热 进 行 了实 Ｓｏｅ 方程 的有 限差分 、有 限元素 和有 限体 积等 传统 ｔ ｓ ｋ
的空 气层 作 为 一 种 良好 的“ 温 隔 热 材料 ” 广泛 应 保 被 的能 耗分 析发 现 ．普 通 中空 玻璃 比 ６ ｍｍ 的单 层玻 璃 窗节 能 ５ 以上 ．ｏ — ％ Ｌ ｗ Ｅ中空 玻 璃 节 能 １％左 右 。可 ０
用 到建 筑 材料 当中 。 目前 ， 国建筑 材料 市 场上 已有 我 多 种 带有 封 闭方 腔 空气 层 的建筑 材 料 ．如 架 空层 屋
自然 对 流做 了一项 实验 他 们发 现 ． ｕ （ 均努 赛 尔 Ｎ 平
数 ） Ｇ （ 拉 晓夫 数 ） 与 ｒ格 成正 比 ， Ａ 成 反 比 。 与 ｒ 但是 Ａ ｒ
对 Ｎ ｕ的影 响 较 弱 ， 而 大 温 差 条 件 下 （ ＞ ０ Ｒ ＞ 然 ＡＴ ５ ， ａ
谱 元 法
较高的精度 、 良好 的 稳 定 性 ． 收 解 决 非 线 性 问胚 时精 敛 性 快 ．对 复 杂 边 界 具 有 广 泛 度 不 高
关 的建 筑 外 围护 结 构 保 温 隔热 材 料 的研 究 主要 有 以
下 几个 方面 ：
已达 到 更好 的保 温 隔热 性 能 目前 常用 的薄 膜 类 材
料 有 Ｐ Ｃ（ 氯 乙烯 ） Ｐ Ｅ （ 四氟 乙 烯 ） Ｅ Ｆ Ｖ 聚 、Ｔ Ｆ 聚 及 ＴＥ