封闭腔金属铝溶液自然对流数值实验范文

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【摘要】通过不同瑞利数下的数值模拟分析封闭腔内部的液态金属铝溶液的自然对流流动与换热，得到该溶液在封闭内的温度及速度分布图。结果表明，在瑞利数较小阶段，封闭腔内的传热主要是热传导，随着瑞利数的增大，封闭腔中液态金属铝溶液的传热主要是对流换热。

【关键词】液态金属铝；封闭腔；自然对流换热；数值模拟

现代社会中无论是动力、能源工程、化工等各个领域都对热量传递都有着较为深入的研究。换热器、空气制冷设备、建筑物绝热、旋转电机散热等工程应用问题均可简化为封闭腔内流体的自然对流换热进行研究。针对此问题。Girgis[1]主要通过实验和数值模拟研究了格拉晓夫数、空腔倾角、空腔长宽比对封闭空腔自然对流换热的影响。周梦等人[2]对封闭腔内置倾斜换热管的自然对流流动与换热，重点关注腔内温度场、流场的平均努塞尔数Nuav与瑞利数Ra及换热倾角等之间的关系。阳祥等人[3]针对高宽比为4的封闭腔内自然对流进行了数值模拟。陈中豪等人[4]对内置圆形发热体位置对二维方腔内自然对流的影响进行数值研究目前对封闭腔内自然对流换热的研究主要是较为常规的流体，对液态金属的相关研究较少。曾和义等[5]研究不同加热方式下腔液态金属钠层流自然对流传热过程。门玉宾等人[6]应用数值模拟对液态金属镓的自然对流换热过程进行了分析。而对于液态金属铝的自然对流换热特性鲜少有报道，而工程中熔铝及一些特殊反应过程都需利用液态铝的换热过程，因此有必要对其进行相关研究。本文利用FLUENT软件和单流体模型来模拟在不同瑞利数下封闭腔内的自然对流流动与换热，分析了封闭腔内液态金属铝溶液的自然对流换热。为工程设计和应用提供一定的参考依据。

1物理模型及数值方法

1.1控制方程

封闭腔内流体设为稳态层流，忽略流体辐射，液态金属铝溶液密度使用布辛涅司克近似，其余物性参数为常数。将液态金属铝视为连续介质，其控制方程如下：式中，u为液态金属的速度矢量；β为热扩散系数；Tc为左侧边界温度；Tr为右侧边界温度；D是模型的特征长度；ν运动黏度；α动力黏度。

1.2物理模型

本文中使用的二维物理模型如图1所示。其选择正方形作为计算模型，边长为D，封闭腔的四边均为金属铜结构，封闭腔内部为液态金属铝。固壁面为无滑移边界条件，左、右两侧壁温边界条件设置为恒定，不考虑壁面的导热，左壁是高温壁Tc，右壁是低温壁Tr，上壁面及下壁面绝热。

1.3数值方法

本文选用的封闭腔内部为液态金属铝，利用FLUENT软件对模型进行模拟。采用四边形均匀网格，速度和压力耦合问题使用SIMPLE算法处理，动量方程和能量方程采用二阶迎风差分算法处理以保证差值精度。铝溶液的参数如表1。

2结果分析与讨论

2.1结果验证

为得到与网格划分无关的解，对Ra=106的情况采用了80×80、100×100、120×120、150×150四套均匀网格进行模拟计算，结果发现，120×120网格计算结果可以看作是独立于网格的解，因此计算中使用的最终网格为120×120。参照文献[6]的条件计算来验证计算方法，当Ra=106时，所得的温度图、流线图及涡量图与基本与文献计算结果基本一致，说明本文数值方法及精度的可信，对比图见图2。

2.2瑞利数的影响

图3显示了瑞利数对封闭腔内自然对流传热的影响。由图3可清楚的看出，封闭腔中液态金属铝的对流传热受瑞利数的影响很大。在封闭腔内的铝液达到稳定的自然对流情况下，腔内的流场中心出现涡旋。当瑞利数为103时，封闭腔内涡旋很小，此时自然对流较弱，腔内传热机理主要靠热传导。随着瑞利数逐渐增大，腔内的涡旋也同样增大。反应出封闭腔内液态金属铝随着瑞利数的逐渐增大，其中心的涡旋流动也逐渐加剧，换热和流动效果体现的更加明显。同样可以看到，随着瑞利数逐渐增大，封闭腔内金属铝的温度场形式发生变化，温度等值线在瑞利数为103时体现为竖直方向分布逐渐变化道瑞利数为106的水平方向微螺旋分布，从温度等值线分布的变化可以得到，封闭腔内金属铝的自然对流逐渐由热传导的转变为对流换热的方式。水平方向上，随着瑞利数得增加，封闭腔中的温度场在靠近左右边界面位置的等值线越来越密集，显示出在左右边界处存在越来越大的温度梯度，反之在靠近腔体中心的温度梯度越来越小，导致此现象的原因为热量在左侧的高壁温区向右侧的低壁温区传递过程中，由于边界处由温度梯度产生的浮升力使腔内流体的自然对流速度逐渐加大，换热机理已经由流体之间的热传导转换为对流换热。

3结论

本文通过数值模拟分析了封闭腔内部的液态金属铝溶液的自然对流换热，主要模拟了不同瑞利数下封闭腔中的自然对流流动与换热，得到了封闭腔体的温度及速度分布图。通过模拟在自然对流条件下流体的特性，分析其原因，与同领域学者论著作比较，利用相关文献结果验证了模型的合理性。结果说明，在自然对流换热条件下，随着瑞利数增大，由于两侧壁面温度不同，由温度梯度产生的浮升力以及自身重力的双重作用下，封闭腔内的液态金属铝进行顺时针旋转，形成了较为规则的温度及速度分布图，铝溶液的自然对流逐渐由热传导转变为对流换热的方式。

参考文献

[2]周梦,虞斌,涂善东.封闭腔内置倾斜换热管的自然对流数值模拟[J].化工机械,2018(5):636-642.

[3]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,2014,48(5):27-31.

[4]陈中豪,罗超,吴帅,等.内置圆形发热体二维方腔内自然对流数值研究[J].兰州交通大学学报,2018,37(4):78-84.

[5]曾和义,董化平,郭贇.方腔内液体金属钠自然对流换热特性数值分析[J].原子能科学技术,2012(46):305-309.

[6]门玉宾,马军军,王书福,等.液体金属镓自然对流换热数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报,2011(43):114-118.

作者：刘淼 张强 戎玲 陈刚 单位：中国船舶重工集团公司第七0三研究所