基于LBM多孔腔体内自然对流的研究

作     者：孙金丛 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李培生

授予年度：2017年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：多孔腔体 格子Boltzmann方法 自然对流 流固耦合 多松弛时间 

摘      要：多孔腔体内自然对流传热现象普遍存在于自然界及工程应用领域中,例如太阳墙系统中换热、集热过程,电子元器件散热,土壤源热泵中换热器埋管匹配问题等。由于受到多孔腔体孔隙结构随机性及流-固界面的高度复杂性影响,阻碍了人们详细地探究孔隙内部流体对流传热规律,因此寻找一个合理、高效的研究方法显得尤为关键。近年来,格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method,LBM)以其物理背景清晰、边界处理容易、数值精度高等优势,成功应用于多尺度复杂几何结构下多孔腔体内流体流动与传热领域的研究,模拟效果很好。采用LBM对介观尺度下多孔腔体内自然对流传热问题进行数值模拟研究,通过理论分析,建立相应的数学模型及物理模型,分析了多孔腔体内流体流场、温度场、热壁面上平均Nusselt数及局部Nusselt数的分布规律。首先,讨论了局部热活跃边界下竖直多孔腔体内自然对流问题,选取6种不同局部热活跃边界布置方式,分别为Top-Top、Middle-Middle、Bottom-Middle、Middle-Top、Bottom-Bottom、Bottom-Top,讨论不同局部热活跃边界布置方式对竖直多孔腔体内流体自然对流传热特性的影响。数值结果表明:热活跃边界位置对腔体内对流传热影响较大,加热边界布置在底部、冷却边界布置在顶部(Bottom-Top布置方式),对多孔腔体内对流传热最有利,并且优于全热边界布置方式的传热效果。其次,讨论了粗糙壁面边界下竖直多孔腔体内自然对流问题,壁面粗糙元分布采用CASE A、CASE B及Smooth三种方式,通过改变粗糙元个数n及高度A值改变壁面粗糙度,其中n=2、4、6,A=0.5、1.0、1.5。系统地讨论了孔隙度ε、达西数Da、瑞利数Ra等参数对腔体内流体对流传热特性的影响。结果表明:CASE A、CASE B方式与Smooth方式相比,当n=6、Ra=106时,热壁面上平均Nusselt数值分别减少了11.87%、19.80%;当A=1.5、Ra=106时,热壁面上平均Nusselt数值分别减少了9.50%、20.40%。在相同参数下,CASE B方式的热壁面上平均Nusselt数值减少量是CASE A方式对应数值的近似两倍关系。再次,讨论了倾斜多孔腔体内流体自然对流传热特性。研究了内置高温方块的腔体内流固耦合传热问题,设置高温方块的尺寸分别为0.4、0.5、0.6,得到腔体内流线、等温线的分布规律。由于LBGK模型的精度较低、收敛速度较慢,建立了多松弛MRT-LBM模型,分析了Ra*数(Ra*=Da·Ra)、倾角θ等参数对自然对流传热的影响规律。结果表明:热壁面上平均Nusselt数随倾角增加呈现“M型分布特性,平均Nusselt数分布曲线关于倾角θ=90°对称,并在倾角θ=90°处取得极小值,倾角变化的两端取得最小值;不同孔隙度ε、Ra数时,取得最大值对应的倾角θ不同。通过曲线拟合,得出热壁面上平均Nusselt数与Ra*数的幂函数关系式。最后,总结了全文的研究问题,并展望了下一步的研究工作。