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含多孔介质和热源的流热耦合的非正交mrt-LBM数值模拟

含多孔介质和热源的流热耦合的非正交MRT-LBM数值模拟

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作者：俞志国南昌大学

学位级别：硕士

随着电子器件小型化与性能的显著增长以及多芯片模块(Multichip module,MCM)使用的增加,设备在使用时会产生大量的热量,需要高效热控制方法进行有效散热。在众多增强换热的方式中,采用多孔介质结构进行流动换热有着显著的效果。此外,多... 详细信息

随着电子器件小型化与性能的显著增长以及多芯片模块(Multichip module,MCM)使用的增加,设备在使用时会产生大量的热量,需要高效热控制方法进行有效散热。在众多增强换热的方式中,采用多孔介质结构进行流动换热有着显著的效果。此外,多孔介质结构还被应用于各种工程技术的应用中,包括化学和生物过滤器、热交换器、冷却塔、天线、空气框架的设计建模等。近年来,越来越多的学者围绕多孔介质内的流动和传热问题进行了大量的数值模拟和实验研究。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann method,LBM)经过几十年的发展已经成为研究解决输运和温度扩散等问题的一种相当成熟的手段。在介观领域的众多处理方法中,LBM在处理流体流经多孔介质的流动等复杂几何形状的流动问题时候具有明显的优势。并且使用该方法能够有效的提高计算效率。本文采用非正交多弛豫时间的格子Boltzmann方法(Multiple relaxation time Lattice Boltzmann method,mrt-LBM)对含有多个内热源的多孔通道中纳米流体强制流动换热、含热多孔钝体的方腔自然对流换热、含热多孔钝体的通道强制对流换热的过程进行了模拟研究,结果表明:1)对于含三个热源的多孔通道内的纳米流体强制流动换热过程中,通过固定Pe=25,Pr=5.829,c=1/2,b=1/4,s=1/10,ε=0.3来研究不同纳米颗粒体积分数φ及不同达西数Da情况下通道内的流动及传热规律,发现热源表面的换热模式为强制对流为主,导热为辅。在Da=0.01时,孔隙率ε固定为0.3时,纳米颗粒体积分数φ,从0.02逐步变化到0.1时可知,随着纳米颗粒体积分数φ的增加,热源表面的换热能力得到增强,但是周围的流动也因为纳米颗粒而受到影响,热源周围以导热为主,并且纳米流体的体积分数需要控制在0.04左右时,才能使得传热流动的效果达到最优;在控制纳米流体的体积分数φ为0.04时进行模拟,Da数分别为0.01,0.001,0.0001时,发现随着Da数的增大,热源表面的平均努塞尔数(Nu)减小,其换热效果减弱。2)对于含热多孔钝体的方腔内自然对流换热数值模拟时,在Ra数为10和10发现随着Da数的增大(从10变化到10),多孔钝体的内部阻力减小,流入多孔钝体的流量增大。流函数的最值在增大,并且能够发现:受浮升力的影响,多孔钝体的下表面等温线聚集越发明显,温度梯度增大,换热效果增强,而在多孔钝体的上表面的温度边界层厚度却增加,温度梯度减小,局部换热恶化。但是整体Nu增大,整体的换热性能得到了提高。研究还发现了随着Da数和Ra数的增大,截面形状为菱形的多孔钝体的Nu的增长幅度最高,六边形的次之、正方形的最小,并且菱形多孔钝体的Nu对于参数变化最为敏感。3)对含热多孔钝体的通道内强制对流换热进行数值模拟时通过固定Pr=0.71,孔隙率ε分别为0.629、0.935、0.977、0.997,Da数为10、10、10、10时发现,随着多孔钝体渗透率的增加,Da数增大,在多孔钝体的尾部可以看到旋涡脱落强度降低,而且在Da为0.01时完全消失,并且在较高的Da数下观察到流体边界层的变薄,流入多孔钝体的涡流量变多。随着Da数和Re数的增大,多孔钝体与来流液体接触的前表面的温度梯度逐渐增大,换热效果增强。然而在多孔钝体的后表面的温度边界层厚度增大,局部换热效果下降。不同于充满多孔介质的通道流动换热,多孔钝体的流动换热的Nu随着Da数的逐渐增加而增大。在形状方面,在Da相同时,菱形多孔钝体的渗透量更大,尾部的漩涡脱落强度最低,六边形次之,正方形最大。而在换热方面菱形多孔钝体的Nu数最大,极值最大。在相同的孔隙率下,截面为菱形的多孔钝体的换热效率相对更大。综上可得,对于通道内充满多孔介质的流动换热,随着Da的增大,平均换热的能力却降低,流动多为强制对流而非导热。但是对于含热多孔钝体自然对流和强制对流而言,随着Da数的增大,流体的换热虽存在局部努塞尔数(Nu)的恶化现象,但整体的Nu增大了,并且在研究几种不同形状的多孔钝体的流动换热时发现菱形截面的多孔钝体的流动换热效果更好。

关键词：非正交mrt 多孔钝体格子Boltzmann方法流热耦合纳米流体

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