在不同进出口构造装置中的混合对流

进出口构造装置中混合流
摘
矩形装置中混合流程进行数分析四种位置配置出入口考虑持续断热源带嵌装垂直表面电路板模拟集成电路芯片空气作流体数值规划基非线性参数解算适应三角非均匀网格元素限元方法普朗特数等071物理性质保持变情况列理查德森数010计算出水口流边界结果表明均奴塞尔数分表面温度量纲热源强烈赖定位进口出口通传热系数流线型速度矢量静态吸附等温线解释外部空气强迫水流浮力流热源间相互作结果基性质
关键词 限元 理查德森数 流边界 流密度 电子冷
术语
流体热恒压height of the opening
重力加速&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 笛卡尔坐标
GRASHOF 数字 词笛卡尔坐标
流换热系数&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p &nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p
颅腔高度&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p &nb**p 希腊符号
NUSSEL数字&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 热扩散率
空间压力&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 热膨胀系数
次压力&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 运动学粘度
PRANDEL NUMBER&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 次温度
热流密度&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 动态速度
RENOLDS NUMBER &nb**p 流体密度
RICHARDSON NUMBER&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 标
尺寸温度&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 均数
尺寸速度分量&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 加热墙
次速度分量&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 进口
速度矢量 &nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p 值
&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p WALL
&nb**p
介绍
工程系统中通常然流强迫流产生流式传热传热双重玻璃窗浮法玻璃生产食品加工晶体生产太阳水池湖泊动力学核电站热工水力应种混合流重领域电脑设备冷系统系统里热源通常事先规定热负荷设计类系统时须十分谨慎样冷需量会降低达高效率环绕中外部强加流电子模块热负荷导致浮力流间交换会导致复合流动理解环绕中混合流传热特性重
许研究员已通分析实验数字等种方法矩形外壳中混合流流动效果进行研究Angira**a （2000）提出等温垂直面外壳中气流混合流数字研究通外壳安装进气口排气口实现约束条件通流体格拉斯霍夫数负106次方正106次方变化正位温势负位温势均考虑研究中正格拉斯霍夫数较高浮力流体没恒定解总说强制流动正负格拉斯霍夫数热传递起强化作徐王（
2000）定位热源正方形腔中微极流体混合流进行研究表示说牛顿流体热传递协系数相微极流体热传递协系相较低Riva**Cardona et al（2004）外壳中绝缘流体混合层状流进行研究Leong et al（2005）底面腔壁加热开放式腔中混合流流体稳定性进行分析研究出结混合流体制转变流体格拉斯霍夫数雷诺兹数相值决定
Bhowmik et al (2005)进行混合流试验水模拟电子芯片着垂直矩形流通试验结果表明雷诺系数传热系数遇第芯片前否达成直严重影响传热系数Wang Jaluria(2002) Ichimiya Yamada(2005)做嵌入水风底面混合流制冷系统实验位研究者（Moraga Lopez2004…）热空气制冷腔中混合流做验证
更步说Mancaet al 提供种绝缘板作边界热墙外缩孔中板状混合流层数值分析三种加热器考虑中：协助流反流底部加热Richard**on 数结果01100 1001000 横范围0115表明温度值着Reynold** Richard**on 数值增降低**高度外缩孔深度例加热配置流线型等温型结构中起着显著影响调查显示反受力流结构温度均努赛尔温度表现出高温度值 相问题Manca al 通实验证明出时存协助受力流结构中根流动显示结果指出 Re 1000 时出现两股明显流体运动：种道中行流外缩孔循环流Re100 时获种较强浮力热流卷渗透力原加热板墙位置延伸层道
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Shuja et al(2000) 出口位置生热体长宽生热体传热特性影响方腔中产生熵进行分析发现整体标准化努赛尔系数逆性受进口位置长宽影响Omri Na**rallah (1999)SinghSharif(2003)研究进出口加热垂直等温侧墙空气冷腔进出口配置朴茨茅斯进行分析通分析腔体制冷效应选择配置建议通冰冷墙注入空气者进口放置底部出口放置顶部达更制冷效果
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分析
图11修改结构细节笛卡坐标系统起初计算区域较低左角里考虑模式均匀固定流量热源q封闭模式应左边垂直墙封闭模式尺寸高H宽L决定墙端包括封闭系统顶部底部隔热进气开口位左墙加热墙反面出气开口位置缩略图展示位置顶部者底部图1(a)展示空心墙易遭遇表外流表外流通隔热墙顶部进入加热墙反面顶部顶离开时间较短样情况称TT配置横式冷射流隔热墙顶部进入加热墙反面底部离开时图1(b)示情况称TB配置样图1(c)图1(d)称BB配置BT配置简单起见两开口高封闭模型高10分冷空气通进口匀速度ui流入假设进口流环境温度Ti输出流直流边界条件(CBC)变量零扩散流量固体边界假设刚性滑移进出口位置热性力需特考虑
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21 控制方程
方程运质量守恒动量守恒量守恒定律认流量稳态二维层流动量方程式物体密度Bou****ine**q似模拟假定恒热性忽略量公式黏性耗散量纲形式微分方程二维卡迪尔坐标参系中写成形式
3 数值分析
31计算程序
通限元技术量化解决控制方程式混合限元模型两种三角格朗日元素排成种元素连续性动量方程中线速度压力变化种元素二次插值技术基础速度温度量固定非线性求解器直接求解器配合样相误差 10 4 应变量急剧变化应变量手动缩放改变数值收敛性通某种方式选定常数手动缩放量定定值非线性方程式求解运Broyden方法LU分解预处理常常理查德森数开始解决问题通改变元素数量提高准确性效率解决完成数模拟非统网格聚集热源者吸附墙面Lo et al(2005)Roy Ba**ak(2005)A**aithambi(2003) Van Schijandel(2003)记录相似限元方法种方法试验中解决流体流动热传导问题
&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p&nb**p
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参数包括长宽15 设发热条量纲长度值05&nb**p 代入进行计算初始数格独立性数值变化范围
测试执行雷诺数等100国际扶轮 10组态三角网格二维模拟 应6网格&nb**p 粗网格15170叉点2064元素（双线性三角形速度）网格点
75828叉点11396元素进行广泛数值试验研究7268网格元素理想空间分辨率提供基准形状求解进步完善独立网格尺寸
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首先方程解决混合流冷气室模型问题 Singh Sharif（2003） 结果数2显示出Singh Sharif计算出流线等温线雷诺数100国际扶轮 10研究Manca结证实相似观点研究总体趋势倾Manca研究结样Manca基相似模拟模型出种验证数方法图表2中显示Manca计算值误差05
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4 结果讨
面混合流学种存普朗特数位071风冷式气腔中层流
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图1中（a）（b）（c）（d）标出4结构控制参数理查森数Ri雷诺数Re直保持100固定变模拟理查森数范围Ri等0等10种浮动格拉肖夫数改变效冷中结构基热壁表面高温度腔中量流体均温度热壁均努赛尔数效冷说热壁均努赛尔数应该更高热壁表面高温度腔中量流体均温度应该更低风洞中混合流层流物理分析复杂强制流然流互相影响时候直观结事实相反然热动力领域中模拟精确细察关混合流问题中四结构研究较相进入排出情况流热交换表现
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空间限制想包含理查森数范围结构结果图36中展示代表性变Ri全结构流线型等温线气流形态温度分布精细测试展示相应结构风洞热交换现象情况模拟结果总结图89中腔中量流体均温度热壁均努赛尔数呈现
正前提结构提高均努塞尔数时降低散装均温度观察指出较通加热墙注入空气通隔离墙注入总会产生更高努塞尔数前文中数证明原面加热墙冷流撞击效应
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41流场温度场
图36示通流线速度矢量等温线三量表示构型进气口排气口理查森系数分01510进排气口垂直腔中动力浮力驱动流场温度场均衡热源嵌式侧壁图3示Ri值流线速度矢量等温表面表示TT构型动态分析温度场（种构型隔墙顶端进气然加热壁顶端出气）图中流线速度矢量描述流状态工流然流交互作Re100时时Ri值较低工流流方式会渗透入腔较低面壁移动时工流速度会变流场垂直热壁附时流体会变轻排气口方流动流底部流体会垂直壁突然流拐角形成股型时针方循环莫法特涡流Ri值增加1050间时面壁会形成股时针方涡流股涡流会着理查森系数断增增进气排气程中会明显流场转会加热边界方冷液形成股强辅助流样促进热量排气口流出
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图六BT配置流线等温线RI<1强制流控制水流量入口出口呈角线型高Ri值（510）回流区液体流方形成液体流里没扭曲直浮力惯性力Ri1时候变成样重伴着RiTT结构中增加回流区入射空气喷射中相互作力会变强温度场少少进入冷液体流循环涡相互作支配着根腔形成涡决定Ri<1 高温区更集中热壁温度分布腔部分更统方面说高温梯度更接热壁分层温度分布腔方Ri5Ri10然流支配冷进入气热涡开始混合热带进腔里高温区尺寸增特腔半部分液体流现正首先流进热墙然高墙范围出
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42 速率温度分布
应Ri数值图7中外壳横中心截面垂直速率侧面分析图温度分布图显易见着Ri数值提高加热外壳附零件垂直速率越高洞中心区域速率然低意味着流体相固体边缘位置远仔细观察入口轴线流量发现着Ri增图7中显示出&nb**p TTBT结构中果参宿构件垂直速率会增加相围墙接0值速率增加零件表明里面流量加速事实浮力素型流体会仅部流动流体强制输回时会吸收部分流动动量相应加流体加速需保证流体总量减少通观察结构温度分布图TTBT结构发现种相类似模式
43 热交换
热壳中四种结构中加热外壳高温度量流体均温度均努塞尔特数值数分图8910中相参数TTBT均努塞尔特数值普遍高BBBT结构数值然外壳高温度量流体均温度者较高图10显示出Ri等2时TT结构均努塞尔特数值相较高Ri2时BT结构努塞尔特数值相较高TT结构中然流排热关键作热壳里冷空气喷射洞里面量流体循环直接影响TT结构说更高Ri热交换率会更出口通加热壳顶端底端时加热外壳高温度量流体均温度会变 TT结构中数情况温度低
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5 总结
利稳定热流源矩形振空腔实施层状混合流冷进行数值研究确定效冷效果理想进口出口布局
设计4组进出配置研究时雷诺数设定定值100理查德森数定010间组数值通混合流控制流代表控制强制流热壁均努塞尔特数作配置冷效率研究结果表明ITBT配置着相似效果相出口位置然BBTB配置相质特征热传递率较低配置出口居时进口居墙顶部部达更效冷效果更高均努塞尔特数IT配置确保效率20&nb**p

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