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太阳能烟囱温度场和速度场的标度分析与直接数值模拟研究

作　者: 何云
导　师: 刘滔；林文贤
学　校: 云南师范大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 太阳能烟囱自然对流换热标度分析直接数值模拟
分类号: S214
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 22次
引　用: 1次
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内容摘要

非稳态自然对流换热问题在实际工程中有着广泛的应用背景,透彻了解有限空间流体的非稳态自然对流的瞬态流动行为具有重要的理论意义和应用前景。本文首先对太阳能烟囱自然对流换热进行了理论分析,在此理论基础上,对烟囱内非稳态自然对流换热进行了标度分析和直接数值模拟,得到了空气的瞬态流动行为及其演化规律,并将模拟结果和标度分析结果进行了对比。在直接数值模拟中,我们采用了Fortran语言编写的高性能计算机程序,在该程序中,非稳态的纳维尔—斯托克斯(Navier-Stokes)方程和温度方程利用基于非交错非均匀网格的有限体积法进行离散。方程中的非线性项采用三阶的QUICK差分格式,而其它项则采用二阶中心差分格式。对非线性项的时间积分采用Adams-Bashforth方法进行,而对其它项的时间积分则采用Crank-Nicolson方法。离散后的动量和温度方程采用交替方向隐式(ADI)方法进行求解,压力修正方程则采用预条件的GMRES方法求解。通过分析和模拟发现,太阳能烟囱竖直集热壁接受一定的太阳辐射后,通过自然对流换热,烟囱内空气的行为会发生一系列的变化。由于太阳能烟囱本身是属于上下端开口的有限空间,在某些工况空气边界层流动象半无限空间一样自由发展,而在另一些工况边界层的发展受到限制。对于可以看成半无限空间的烟囱边界层流动的演变过程分为起始阶段、过渡阶段、和稳定阶段三个发展阶段。我们利用标度分析得到了表征太阳能烟囱自然对流换热空气流动瞬态行为的宏观特征参数,即边界层的厚度、速度边界层内的最大速度、边界层达到稳态时集热壁面温度等与空气流动的控制参数如瑞利数(Ra)、普郎特数(Pr)在不同高度的标度关系式。然后利用直接数值模拟计算结果验证和定量化了这些标度关系式。对于边界层不能自由发展的烟囱,通过数值模拟结果分析控制参数对流动瞬态行为宏观特性参数的影响。最后对太阳能烟囱非稳态自然对流行为的速度场和温度场进行总结,为太阳能烟囱应用领域的推广和优化设计提供了理论上的依据和指导。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-9
主要符号表  9-11
1 绪论  11-22
  1.1 引言  11
  1.2 研究背景及意义  11-13
  1.3 CFD技术  13-16
    1.3.1 CFD技术简介  13-14
    1.3.2 直接数值模拟简介  14-16
  1.4 国内外研究现状  16-19
  1.5 研究方法和内容  19-20
  1.6 研究的创新性  20-21
  1.7 研究使用的设备  21-22
2 太阳能烟囱自然对流换热的理论分析  22-28
  2.1 引言  22
  2.2 太阳能烟囱自然对流换热机理分析  22-24
  2.3 太阳能烟囱自然对流换热物理量的无量纲分析  24-28
3 标度分析  28-40
  3.1 引言  28
  3.2 物理模型  28-29
  3.3 流体控制方程  29-30
  3.4 太阳能烟囱内空气流动的瞬时演变过程  30-33
  3.5 标度分析  33-38
  3.6 小结  38-40
4 基于有限体积法的控制方程离散及其求解  40-68
  4.1 引言  40
  4.2 无量纲控制方程及初始和边界条件  40-42
    4.2.1 无量纲控制方程  40
    4.2.2 初始和边界条件  40-42
  4.3 区域离散化  42-46
    4.3.1 设置节点  42-43
    4.3.2 网格生成的方法  43-44
    4.3.3 网格类型的选取  44-45
    4.3.4 非均匀网格的划分  45-46
  4.4 控制方程的离散  46-60
    4.4.1 离散方法  46-50
    4.4.2 差分格式  50-51
      4.4.2.1 空间的差分格式  50-51
      4.4.2.2 时间推进格式  51
    4.4.3 控制方程的离散化  51-60
  4.5 离散方程的求解  60-68
    4.5.1 求解方式  60-62
    4.5.2 非交错网格的导入  62-63
    4.5.3 压力和速度的修正  63-67
      4.5.3.1 压力修正法  63-64
      4.5.3.2 压力修正方程的构建  64-66
      4.5.3.3 Krylov子空间算法和预条件的GMRES  66-67
    4.5.4 计算结果是否收敛的判断  67-68
5 直接数值模拟结果与分析  68-85
  5.1 引言  68
  5.2 数值结果  68-84
    5.2.1 空气进口、出口温度和速度  69-77
      5.2.1.1 w的影响  69-72
      5.2.1.2 h_0的影响  72-74
      5.2.1.3 Ra的影响  74-77
    5.2.2 定比关系的验证和定量化  77-81
    5.2.3 烟囱内边界层发展受限制的温度场和速度场  81-84
  5.3 小结  84-85
6 总结与展望  85-87
  6.1 总结  85-86
  6.2 展望  86-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
附录一计算Ra=10~8,w=0.5,h_0=0.05输入值表  91-92
附录二 FORTRAN程序边界奈件设定  92-97

太阳能烟囱温度场和速度场的标度分析与直接数值模拟研究

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