水平环缝内具有密度极值流体的自然对流换热研究

以水平环缝内具有密度极值流体的自然对流换热问题为对象，采取实验观测和数值模拟相结合的方法研究其传热特性及其强化、流动结构型式及其演变过程等。首先，通过系统的实验研究，获取各种条件下的总体传热性能数据，整理得到传热关联式；然后，通过可视化实验，观测流场结构、流动的稳定性和流型演变过程，分析传热性能与流型之间的关系，探讨强化传热的有效途径；最后，以实验观测为基础，建立合理的物理数学模型，并进行直接数值模拟，确定流动失稳的临界条件，获取流动失稳后各种可能的流动结构及传热特性，借助于POD (Proper orthogonal decomposition)技术探讨流动失稳的物理机制。本研究对于丰富和发展具有密度极值流体的自然对流换热理论具有重要理论意义和科学价值，并可望在探索具有密度极值流体的自然对流失稳机制方面获得创新性的理论成果。

本项目以水平环缝内具有密度极值流体的自然对流传热问题为研究对象，采取实验观测和数值模拟相结合的方法研究其传热特性及其强化、流动结构型式及其演变过程等，得到了各种条件下的传热关联式，揭示了流型演变与传热特性之间的关系。所得到的主要结论如下：（1）在同心水平圆形环缝内，在任何密度倒置参数下流场和温度场都是关于垂直轴对称的，流型主要取决于密度倒置参数和Rayleigh（Ra）数的大小。当Ra数增大到某一值时，在环缝上部或下部将会出现Bénard流胞，这种二次流胞的出现应该归因于逆向密度梯度层内的Rayleigh-Bénard不稳定性。当Ra数更进一步增大时，流动会转化为振荡对流，流场和温度场不再对称。内壁平均Nusselt（Nu）数随Ra数和半径比的增加而增大，随密度倒置参数的增加而先减小、再增大，在密度倒置参数约为0.5时最小。（2）在垂直偏心环缝内，流型特征与同心环缝类似，但Bénard流胞的数量会发生变化；在水平偏心环缝内，流型不再对称，且随着偏心距的增加，Bénard流胞出现的临界Ra数减小。当流动转化为振荡流动时，失稳机理与同心环缝相同。当Ra数较小时，随着偏心距的增加，流动被强化，内壁平均Nu数增加，当Ra数较大时，流动失稳，偏心距对平均Nu数影响很小。（3）在椭圆环缝内，流场与温度场会受到流道径向比和椭圆比的影响，总的传热性能会随着流道径向比的减小和椭圆比的增加而增强。椭圆环缝绕垂线的偏转会使流型更复杂，此时，流型和局部Nu数的对称性消失，但是，内壁平均Nu数几乎不变。（4）通过对径深比为2的圆柱形腔内具有密度极值的冷水的自然对流的数值模拟结果表明，密度倒置现象对流动转变的临界Ra数和可能存在的流型具有重要的影响。当密度倒置参数为0.3时，在计算范围内发现了8种可能存在的流型，而且，在某些Ra数范围内，可能同时存在几种流型。（5）当在水平环缝内壁设置三维扩展肋片时，内壁平均Nu数随着肋片高度和肋片纵向间距的增加而增大，随着肋片宽度的增加而减小，而每周分布肋片数对其影响很小。