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响应面分析翅片参数对含内热源封闭腔内对流-辐射耦合传热特性的影响.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()甘肃省自然科学基金项目():兰州交通大学基础研究拔尖人才项目()甘肃省高等学校产业支撑计划项目()作者简介:第五嘉玮()男硕士研究生:.通信作者:王烨()男博士教授博士研究生导师:.:./.响应面分析翅片参数对含内热源封闭腔内对流辐射耦合传热特性的影响第五嘉玮王 烨胡润鑫(.兰州交通大学 环境与市政工程学院 兰州.兰州交通大学 铁道车辆热工教育部重点实验室 兰州)摘要:为研究内置翅片参数对含内热源封闭腔内自然对流 辐射耦合传热的影响在是否考虑内壁面辐射效应的基础上对不同翅片单参数下腔内传
2、热能力进行了数值分析对比并就翅片多参数交互作用对腔内对流 辐射耦合传热效果的影响进行了响应面分析 结果表明:一定强度的壁面辐射有利于改善热源表面和冷壁面的对流换热效果壁面辐射使得翅片附近的冷壁面局部 数波动程度有所增强冷壁面平均 数相比无翅片工况最高提升了 无论是否考虑辐射翅片单参数变化翅片长度 对热源表面平均 数的影响最为显著最优翅片单参数均依次为:、.、.考虑辐射对应的热源表面平均 数提升率 更高分别为.、.引入响应面优化法分析得出翅片长度与安装高度的交互作用对热源表面平均 数影响最显著腔内对流 辐射耦合传热效率最高的翅片参数组合为:.此时热源表面平均 数为.相比无翅片工况提升了.所得翅片
3、参数影响规律及多目标优化结果反映各因素交互作用显著度的同时也为改善工业装置封闭空间内发热元件对流冷却效果提供了理论指导关键词:封闭腔对流 辐射耦合传热多参数优化响应面法数值模拟本文引用格式:第五嘉玮王烨胡润鑫.响应面分析翅片参数对含内热源封闭腔内对流辐射耦合传热特性的影响.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引言自然对流因其自发性、无额外能耗等优点在建筑节能、变压器散热、电子设备冷却等诸多工业生产系统中被广泛应用 陈岳在微尺度下内置发热电子芯片方腔对流换热的研究工作中对电子芯片尺寸、多芯片布局对芯片表面对流冷却性能的影响进行了数值分析得到瑞利数
4、、时腔内对流散热效率最大的临界芯片尺寸分别为.、.由此可见内置热源封闭腔内热边界层附近的自然对流换热是工程应用和理论研究的重要问题自 最早提出侧加热封闭腔自然对流模型以来人们先从腔体高宽比、瑞利数 等方面进行相关探索后来发现通过侧壁周期性边界条件变化、填充纳米流体、水平薄翅片侧置等方式可以强化腔内对流传热其中布置翅片操作简单节约能源更具适用性 有关翅片材质、翅片几何参数及定位尺寸、翅片形状等方面的研 究 已 经 实 现 了 技 术 成 果 的 多 方 面 突 破 与 应 用数值分析了翅片对侧加热方腔内低压气流的扰动作用发现在相同的克努森数 下热壁面布置双翅片相比无翅片空腔热壁面平均 数会大幅提
5、升 在温度随时间周期性变化的封闭腔热壁面上布置薄固体翅片数值分析得出最佳的翅片安装高度位于热壁面中心或靠近中心位置 在封闭腔热壁面/高度处布置单个不同长度的水平导热翅片分析了翅片与流体工质的导热系数比对翅片效率的影响并得到使腔内换热效果最佳的翅片长度 何腾找到了强化或抑制内置热源封闭腔内对流换热的翅片临界长度 等数值分析了不同瑞利数 下翅片位置、翅片长度及翅片数量对腔内传热速率的影响 研究发现将翅片固定在热壁中间高度对腔内传热效率提升效果最优 当 .翅片数量大于 翅片数量对腔内传热的影响可忽略不计 当 .双翅片工况传热速率较单翅片有所降低 为改善工业装置封闭空间发热电子元件对流冷却效果王烨探究
6、了壁面发射率对内置单、双翅片的封闭腔内湍流自然对流的影响发现单翅片结构封闭腔的热壁面局部 数与壁面发射率呈正相关变化关系壁面发射率过大不利于双翅片结构封闭腔内的对流散热综上内置翅片封闭腔相关研究主要针对翅片单参数变化对无内热源腔体内自然对流换热产生的影响展开讨论寻找使得内置热源封闭腔内对流辐射耦合传热效果最佳的翅片参数组合的研究还未见报道 本文中研究了翅片单参数变化下壁面辐射效应对腔内对流传热特性的影响并以热源表面平均 数为评价指标引入响应面法建立回归方程获得翅片多参数交互作用下腔内对流辐射耦合传热效率的变化规律所得腔内对流辐射耦合传热的最优翅片参数组兵 器 装 备 工 程 学 报:/./合为
7、优化工业系统封闭空间内散热元器件的空间布局及对流冷却效果提供理论参考 物理模型和数学模型.物理模型封闭腔物理模型如图 所示 腔体宽高均为 左右等温冷壁面温度为 底面中心放置边长.、表面温度 的方形热源腔内初始温度 ()/顶面与底面绝热 对流辐射耦合传热下的腔体壁面及热源表面发射率分别取.、.采用能同时考虑散射气体与颗粒间辐射换热还能考虑非灰体辐射和局部热源影响的 辐射模型 腔内流体介质为空气黏性流体物性为常数且不可压缩流动为恒定层流忽略黏性耗散和体积力瑞利数 、普朗特数 .通过在腔内右侧冷壁面布置厚度 .的薄翅片来改善腔内自然对流传热效果不同翅片参数变化如表 所示研究单参数影响规律时其余翅片参
8、数分别固定为 .、.、图 封闭腔物理模型.表 翅片参数 参数名称参数取值安装位置/.翅片长度/.安装角度/.数学模型为进一步拓展研究结论的普适性需要对腔内对流传热控制方程进行无量纲化处理 引入以下无量纲参数:()()式()中:、分别为水平和竖直方向的坐标分量、分别为、方向的速度分量/为空气压力 为空气密度/为左、右侧冷壁面温度.为热源表面温度.为空气的运动黏度系数/为流体的体积膨胀系数/为重力加速度/为空气扩散系数/()为普朗特数 为瑞利数求解封闭腔内空气流动与传热过程的无量纲化控制方程如下:连续性方程:()动量方程:方向:()()方向:()()能量方程:()式()()中:、分别为水平和竖直方
9、向的无量纲坐标分量 为腔体无量纲宽(高)度、分别为、方向无量纲速度分量 为无量纲压力 为无量纲温度.边界条件无量纲边界条件如下:左、右侧低温壁面:上、下绝热壁面:热源表面:.评价指标冷壁面和热源表面局部 数、热源表面平均 数的表达式分别如下:冷壁面和热源表面局部 数为:热源表面平均 数为:.()数值求解方法.数值方法利用 软件求解腔内对流换热过程采用有限容积法离散控制方程 采用比 格式精度更高拥有三阶截断误差且更具对流稳定性的 格式离散对流项用中心差分格式离散扩散项用 算法进行压力方程修正并使用最具收敛性的 算法处理压力 速度耦合求解方程亚松弛因子设置:压力为第五嘉玮等:响应面分析翅片参数对含
10、内热源封闭腔内对流辐射耦合传热特性的影响 动量为.能量方程、体积力和密度均为 通过迭代离散方程得到每个变量满足如下准则认为求解过程达到收敛()()()()()().数学模型验证为确保数值计算方法的可靠性与文献的实验数据进行对比得到腔内 .水平线上的竖向无量纲速度分布如图 所示最大相对误差为.数值及趋势均吻合良好故认为本文中数学模型可用于内置翅片参数对含内热源封闭腔内纯自然对流传热及对流 辐射耦合传热特性影响的对比研究图 数学模型验证.网格独立性验证图 为 组近壁面局部加密的结构化网格计算所得的腔内 .水平线上的无量纲温度吻合良好后续计算选取 的网格数图 网格独立性检验.翅片单参数对腔内流动传热
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- 关 键 词:
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