научная статья по теме ТУРБУЛЕНТНАЯ СВОБОДНАЯ КОНВЕКЦИЯ ВНУТРИ ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА С НАГРЕВОМ ДВУХ ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕНОК Физика

Текст научной статьи на тему «ТУРБУЛЕНТНАЯ СВОБОДНАЯ КОНВЕКЦИЯ ВНУТРИ ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА С НАГРЕВОМ ДВУХ ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕНОК»

УДК 536.24+532.25

ТУРБУЛЕНТНАЯ СВОБОДНАЯ КОНВЕКЦИЯ ВНУТРИ ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА С НАГРЕВОМ ДВУХ ПРОТИВОПОЛОЖНЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЕНОК

© 2015 г. В. И. Терехов1,2, А. Л. Экаид3

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный технический университет 3Багдадский технологический университет, Ирак E-mail: terekhov@itp.nsc.ru Поступила в редакцию 22.01.2014 г.

Представлены результаты численного исследования трехмерной турбулентной свободной конвекция воздуха внутри параллелепипеда с равномерным нагревом двух противоположных вертикальных боковых стенок. Поперечное сечение объема было неизменным (квадрат), а степень удлинения варьировалась в широких пределах Ax = L/H = 0.1—5. Число Рэлея изменялось в диапазоне Ra = 109—1011. Изучено влияние геометрии объема на структуру трехмерного течения и теплоперенос для коротких и длинных полостей. Показано, что для протяженных объемов (Ах > 1.0) средний теплообмен можно рассчитывать по двухмерным моделям.

DOI: 10.7868/S0040364415020234

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к естественной конвекции внутри 3Э-объемов в последние годы значительно возрос. Особенно этот прогресс наблюдается в области численных исследований трехмерной структуры течения и теплообмена. Состояние этой проблемы изложено в ряде обзоров и монографий [1—6]. Большой интерес к изучению структуры свободно-конвективного течения в трехмерных объемах продиктован важными практическими приложениями: при выращивании кристаллов [7], охлаждении электроники [8, 9], отоплении и вентиляции помещений [10, 11], интенсификации теплообмена в энергетическом оборудовании [12] и многих других.

Немаловажной причиной, способствующей бурному развитию данного направления, является совершенствование компьютерной техники и вычислительных методов, позволяющих рассчитывать сложные 3Э-течения с использованием полных уравнений Навье—Стокса, и современных моделей для анализа турбулентной конвекции.

Трехмерный подход, будучи более реалистичным по сравнению с двухмерным, позволяет составить полную картину процесса формирования конвективных потоков внутри объема и изучить влияние пространственности течения на локальный и интегральный теплоперенос. В то же время 3Э-метод является более затратным при проведении практических расчетов, в связи с чем возникает вопрос о возможности использования для

расчета интегрального теплообмена 2Э-прибли-жения.

Ламинарные режимы 2D- и ЗЭ-конвекции изучались в большом числе расчетных и экспериментальных работ. Для классических объектов, таких, как квадрат и куб, получены эталонные данные (benchmarks), которые используются для верификации численных кодов. Обзор состояния проблемы по эталонным данным и достижения в этой области изложены в работе [13].

Турбулентный режим естественно-конвективного течения в ЗЭ-объемах изучен значительно слабее. Работы по данному вопросу можно разделить на два направления. В первом изучалась особенность формирования вихревой структуры внутри высокого тонкого параллелепипеда [14—19]. Второе направление посвящено в основном изучению турбулентной свободной конвекции внутри куба или в объемах, по форме близких к нему [20-28].

Экспериментальное изучение развития свободной конвекции внутри куба проведено в работе [20]. Число Рэлея изменялось в диапазоне Ra = = 104-108, а угол наклона грани куба по отношению к направлению силы тяжести принимал три значения ф = 0°, 45° и 90°. Таким образом, изучались характеристики течения и теплопереноса как при нагреве вертикальных, так и горизонтальных стенок, что соответствует случаю конвекции Рэлея-Бенара. Кроме того, исследования были расширены за счет использования двух граничных условий на гранях куба, сопряженных с

изотермическими стенками: адиабатических и идеально теплопроводящих с линейным распределением температуры между холодной и горячей стенками. В работе показаны отличия данных трехмерной конвекции от двухмерной.

Авторы [21] провели совместное экспериментально-численное исследование свободной конвекции в трехмерном объеме, близком к кубу с характерным размером грани 1 м в воздушной среде. В опытах изучалось распределение скоростей, температур и теплоотдачи. Численное исследование было проведено двумя методами: LES и DNS. Получено хорошее согласие по осредненным величинам; значительно хуже согласуются данные по турбулентным характеристикам.

В работе [22] экспериментально исследовалась турбулентная естественная конвекция в полости. В эксперименте вследствие разности температур наблюдался низкий уровень турбулентной естественной конвекции в воздухе, наполняющем вертикальную квадратную полость. Это приводило к практически двухмерному потоку внутри полости. Размеры полости были 0.75 м, 0.75 м в ширину, 1.5 м в глубину. Горячие и холодные стенки полости были изотермическими при 50°С и 10°С, что соответствовало числу Рэлея 1.58 х 109. Было показано, что распределение температуры внутри вязкого подслоя, в котором сосредоточено основное термическое сопротивление, является линейным. Авторы отметили, что толщина вязкого подслоя вдоль горячих и холодных стен составляет 7% от толщины пограничного слоя.

В большинстве численных исследований трехмерной турбулентной конвекции используются к—s-модели турбулентности. Большое внимание уделяется созданию низкорейнольдсовых моделей, имеющих важное практическое значение. Одним из первых численных исследований, посвященных изучению ламинарного и турбулентного теплопереносов внутри куба с дифференциально обогреваемыми стенками, является работа [23]. В работах [24—28] подробно обсуждаются проблемы адекватности моделей различного уровня и особенности их использования для 2D- и 3D-конвекции.

Одним из важных вопросов пространственной конвекции является изучение влияния геометрии трехмерного объема на развитие течения, локальный и интегральный теплоперенос. Для турбулентного режима течения такие задачи не ставились, несмотря на их очевидную актуальность, а указанные выше немногочисленные работы выполнены для конкретных фиксированных геометрий. Для ламинарного режима течения известны две расчетные работы, где детально изучено течение в параллелепипедах различного удлинения.

В работе [29] естественная конвекция в параллелепипеде изучалась для диапазона чисел Рэлея

104—107 и различных отношений сторон Ах = = Ь/И = 0.25—4. Показано, что при равномерном нагреве торцевых стенок течение и теплообмен для различных Ах имеет принципиально иной характер.

В работе [30] подробно изучалась ламинарная свободная конвекция в 3Э-полостях различной геометрии. В ней показано, что для относительно протяженных объемов (Ах > 1.0) интегральный теплообмен можно определять из решения двухмерной задачи.

В настоящей работе изучено влияние коэффициента расширения Ах на интенсивность теплоотдачи в трехмерной полости, и полученные результаты сравниваются с данными двухмерных расчетов для полости при турбулентном режиме течения.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. МЕТОД РЕШЕНИЯ.

ТЕСТИРОВАНИЕ

Рассматривается стационарная свободная конвекция несжимаемого газа с постоянными свойствами в приближении Буссинеска и при отсутствии лучистого теплопереноса. Схема задачи показана на рис. 1. Поперечное сечение объема представляет собой квадрат со сторонами И. Боковые стенки вдоль оси х являются изотермическими с температурой Т и Тс соответственно. Дно, потолок и остальные боковые стенки адиабатические. Длина Ь в расчетах варьировалась так, что геометрический параметр изменялся в интервале Ах = Ь/И = 0.1—5.

Система уравнений движения и энергии в безразмерных величинах для трехмерной конвекции имеет вид [28]:

dU + dV + dW = 0 dX dY dZ '

(1)

±dU , * TTdU , p*--+ p* U--+ p

dx др

~dX

+

dX

<L

Ra dX

*V dV + p

(Pr VRa

dY

* W—dU =

dZ

(|i* + | ) (2

'dX

+

IE

VRa

Ra dY'

(l* + It

dU , dV

) (Y + dX

(2)

(|*- ) ((j

p* — + p*U

дт

dP

Pl.

VRai

д

dY VRa dX

dV + p* v dV + p* w dU

dX dY dz (ii* + I*) ( +—i +

Ip7

\Ra

(l* + I ) (2

\dX dV

'dY.

dY

IPL

VRa

A.

Ra dY'

d_ Ra dZ

,* + I*) (dV + dw

(I* + It )

\dZ dY

.,дЖ * ттдЖ * х/дЖ * и,дЖ р*--+ р*Е--+ р*У--+ р* ж-=

дх дХ дУ дZ

= -дР + ГРЕ _д_

дZ V Яа дХ

(и* + ) (ж+дЕ

\ дХ дz/J

+

(,* + ) ( ж

л дУ дz

(4)

+

+

(и* + ) (2

,дЖ )

дZ Л

Уравнение сохранения энергии представляется как:

р*<Ш + р*и 50 + р*у 50 +р*ж 50 =

дт

1

дХ

5

>/Рг Яа дХ 1 д

+

л/Рг Яа дУ 1д

дУ

*

С,

*

дZ

7Рг Яа дZ

^ * ' * Н t РГ

(0 дХ.

(0

дУ.

(0 дZ.

+

+

(5)

* И*

= Яр*С / —

(6)

Уравнение переноса кинетической энергии турбулентности К имеет вид

р*¥ дк + р*Ж дк дУ дZ

У

РГ _д_

Яа дХ

7

ц* +

ц* +

дК дУ.

дк

дZ

ц* +

ст к

+

дк

дХ

+

(7)

+ Рк+Окр* ^Р^ дК -Р* 8.

дт дХ

Скорость диссипации турбулентной энергии е:

р*де + р*и д£ + р*у де+р*Ж=

дт дХ дУ дZ

= /РЕ _д_

V Яа дХ

7

де дХ,

+

/РЕ

\Яа

А

Яа дУ

де дУ.

/РЕ

Л/Яа

Яа дZ

(8)

дб

+ (СЕ/(Рк + СЕзСк) -

-р^/)^ + Я. к

Здесь ОК представляет собой генерацию энергии турбулентности из-за градиентов средней скорости, р*е — среднее ее разрушение и Рк — производство турбулентной энергии силами плавучести. Члены и Рк и ОК записываются в виде

/ЛТ,\2 /л„а2

+

Рк-Л ( 2(I) 2 + 2( |)2 + 2 (Ц )2

+ (дЕ + дУ )2 + (дУ + дЖ) + (дЖ + дЕ\

( дУ дХ) Ш дУ) 1дХ ^)

2

^к =

И* 50

ТрЕ Яа стг ду

(9)

(10)

В уравнениях (2)—(5), р и являются молекулярной и турбулентной вязкостью. Величина определяется по кинетической энергии турбулентности К и скорости ее диссипации е как:

Величины /1 и /2 в уравнении (8) являются функциями демпфирования [31]. Кроме того, здесь имеется дополнительный член Е для расчета поведения диссипации в окрестности стенки.

Е =

Рг

Яа

/9

дХ:

/ 9

дУ:

/9

дZ:

/ 9

гд 2У ,дХ:

Г 9 \ 2

'д 2Ж ^ дХ:

/ 2 \ 2 ' д 2и

гд 2У ,дУ:

'д 2Ж

дУ2

/ 2 ^2 гд 2У

'д 2Ж

дZ2

дХдУ

/ 2 \2 ' д 2и

дХдZ

Г д 2и

дУдZ

(11)

д 2У 12 1 { 3 2У ) - ( д 2у )2

дХдУ) дZ ) [дУдZ )

д2Ж + г д 2ж ^2 + (д 2ж ^21

дХ дУ ) кдХ дZ ) (дУдZ )

В отличие от стандартной, разработанная модель позволяет проводить вычисления вплоть до стенки. Применяемые для демпфирования функции /р, /1 и^ выражаются по аналогии с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком