狭缝高度对传热倍增及温度漂移特性的影响

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摘要： 为研究隔板对流装置的传热特性和温度漂移特性与系统几何尺寸的关系，采用DNS方法对不同狭缝高度和不同隔板数目的隔板对流装置进行计算，结果表明：传热通道中单向层流化的流动具有很好的二维性，二维与三维模拟计算得到相同的Nu。对多层隔板对流装置的传热倍增特性进行二维数值模拟发现：改变隔板顶端狭缝高度，传热倍增效果进一步增强；在隔板厚度相同时，不同隔板数的隔板对流装置存在一致的最优狭缝高度。定量研究传热通道的温度漂移量与狭缝高度的关系，发现二者存在标度律变化关系。

关键词： 隔板对流装置； 传热倍增； 狭缝高度； 温度漂移； 传热通道； Nu

中图分类号： O357.5 文献标志码： B

Effect of gap height on multiple enhancement of heat transfer and characteristics of temperature drift

BAO Yun， LIN Zepeng

（Department of Mechanics， Sun Yat-Sen University， Guangzhou 510275， China）

Abstract： In order to study the relationship between the characteristics of heat transfer and temperature drift of the partitioned convection device and the system geometrical dimensions， DNS method is used to calculate the partitioned convection device under different gap height and number of partitions. The results show that the unidirectional laminar flow in the heat transfer channel shows 2D character obviously， and the 2D sample shares an equal Nu with 3D sample. A 2D numerical simulation is performed to study the multiplication enhancement of heat transfer of partitioned convection device. The result shows that： the heat transfer efficiency can be enhanced further by changing the height of gaps； while the partition’s thickness is equal， there is a coincident optimal gap height while the numbers of the partitions are different. The relationship between the temperature drift and heat transfer channel gap height is studied quantitatively， and it is found that there is a scaling relationship between them.

Key words： partition convection device； multiple enhancement of heat transfer； gap height； temperature drift； heat transfer channel； Nu

0 引 言

热对流现象在天体、地球地幔、大氣和海洋环流等自然界中广泛存在，在化工生产、核反应堆系统和电子元件设计等工程领域应用广泛。Rayleigh-Bénard（RB）热对流是热对流研究领域中最典型的流动物理模型之一，是当今物理学和流体力学研究领域的热门课题[1-2]之一，每年都有大量的有关RB对流传热特性的试验和数值模拟研究结果出现。如何增强对流装置的传热效率始终是热对流研究领域最重要的研究目标之一。使用粗糙导热板进行粗糙表面RB热对流特性研究[3-4]，对转动RB热对流系统进行试验和数值模拟[5-7]，平均温度接近流体沸点的研究[8]，气泡成核热对流试验[9]，不同厚度的方腔RB对流试验[10-11]，在热对流系统的试验研究中加入聚合物粒子[12-13]，以及不同宽高比的长方形对流装置分析[14-15]等多种RB热对流试验和数值计算研究发现，很多方法都可以有效增强热对流的传热效率。

BAO等[16]在宽高比为5的试验对流槽内等距加入竖直的隔板，在隔板的上下两端留出微小缝隙（该缝隙原本是为试验中保证只有一个注水孔可以注满整个装置而留的）。试验发现，随着隔板数增加，隔板对流装置的传热努塞尔数Nu明显增强，隔板数为6块时的增大幅度约为30%左右。对此现象开展数值模拟研究发现：不断增加隔板数量，隔板间的子单元会出现温度漂移现象，且流动从湍流状态向单向层流状态变化，会导致传热Nu进一步增加，隔板为28块时的Nu为没有加隔板时的Nu的2.3倍，传热增强130%，传热效率倍增。

计算对比研究发现，隔板数较多时，系统层流化后，隔板对流装置中的流动呈现出很好的二维性，二维流动和三维流动的传热Nu基本一致。因此，本文采用二维DNS数值模拟方法，研究有狭缝隔板热对流装置的传热特性，通过改变隔板对流装置中的隔板几何参数，研究系统传热效率与狭缝高度和隔板数之间的关系，以及传热通道的温度分布特性，并讨论传热通道中温度漂移特性与狭缝高度之间的关系。

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