案例研究来模拟对流流动和传热在装有空调的场所

文摘

本文三维有限体积数值程序被用来解决对流传热系数(CHTC)和温度分布为两个不同的几何图形的内部房间,一边加热表面。模型空间的大小为80×60×60厘米尺寸被认为是在这个仿真。各种组合的温度场决定每小时换气(5、10、15、20)和几何参数的流场特征。

关键字

CHTC对流,温度场、课时。

介绍

大量的理论和实验表达式针对建模浮力流沿垂直表面的对流换热。Ste´phane Fohanno [1)开发了一种建模从大楼内部垂直对流换热表面的均匀热流密度。简化关系给平均对流传热系数的函数墙高度和墙热流密度提出了为了随时用于构建模拟。拉里(2]研究结合自然对流和辐射传热的二维方腔。连续性、动量和能量方程解决了有限体积方法获取温度、速度和热通量分布在参与媒介。腔的传热和流动特性进行了分析,广泛的瑞利数(102 - 106)和光学厚度(0 - 100)。结果表明,光学厚度的变化辐射努塞尔特数是几倍的对流努塞尔特数在同一类风湿性关节炎。Refet Karadag [3)确定辐射和对流换热系数的关系的冷却天花板房间天花板的地板表面是孤立的。房间尺寸维度(3×3×3、4×3×4和6×3×4米)和热条件(Tc = 0-25ºC, Tw =几个ºC)。结果表明,辐射传热系数的比值不同对流换热系数随温度增加。培特Wallenten [4)测量了对流传热系数在外部环境墙窗自然气候暴露在一个房间里有和没有家具。对流换热计算的区别热流通过建筑元素和长波辐射计算。T_裁判被选为垂直平均中间的房间。流响应方法被伊恩Beausoleil-Morrison [5)推进对流传热的造型内部建筑表面。算法动态控制模型分配适当的对流方程模拟内部表面的每一个步伐。新方法使用ESP-r模拟是由伊恩Beausoleil-Morrison [6)来演示机械通风的房间内混合对流。ESP-r模拟执行与混流模型表明,加热和冷却负荷的预测是对治疗表面对流高度敏感。弗朗西斯科·Causone [7)评估辐射上限之间的传热系数和房间的入住率在典型条件下一个办公室或住宅。在实验结果中,平均值稍高的总传热系数约为13.2 W m被发现²K¹冷却的天花板,相比11 W m²K¹从文学。

控制方程

基本控制流体流动的方程组源于牛顿第二定律。方程被称为navier - stokes方程,对于不可压缩流体的完整瞬时方程的形式:

(1)

(2)

(3)

地点:(u, v和w)流明智,横向和垂直速度分量分别(x, y, z)相应方向的速度分量,μ是流体粘度,ρ是流体密度,p是压力。

更紧凑的写方程(1)(3)在笛卡儿张量符号为:

(4)

在后缀i和j代表three-co-ordinate方向上扩张回方程(1)(3),S_bj浮力源或汇条款和t。

守恒方程标量属性

守恒方程的某些标量属性分散的管理流程,如温度、焓湍流动能K或湍流耗散率ε,有相似的形式。他们因此可以由一个微分方程的一些一般性的标量属性(Φ)如下:

(5)

在年代_Φ代表了Φ的源或汇,J_Φj在j−方向扩散。后者通量的形式将在下面讨论。标量属性通量J_Φj在方程(5)可以与速度梯度有关的组件分别和标量属性。在constant-property流动本构关系如下(8]:

(6)

μ、σ_Φ动态粘度和普朗特/施密特数分别为液体。

计算的细节

预测外壳内的空气流动和对流换热进行了流场的数值守恒定律用椭圆偏微分方程来表示的迭代方法。问题的独立变量是三分量(x, y, z)笛卡尔坐标系统。主要因变量是速度组件(u, v, w)、压力(p)、温度(T)、湍流动能(K)和耗散率(ε)。通过使用逐行解决方案技术结合tri-diagonal矩阵算法(TDMA),因变量都解决了,和一个三维块调整过程也逐行地应用来确保连续性。使用混合差分格式在对流项和源项是线性的zed集成。这些做法都是广泛用于提高数值稳定性。网格计算域内采用非均匀间隔(x) (y)和(z)的方向与网格节点集中墙壁和进口和出口附近的烧烤。

边界条件

固体边界的边界条件用于解决目前的问题是,无滑动条件应用在所有六个墙,速度和摩擦计算通过调用“壁面函数”。

结果与讨论

基于有限体积法的数值分析用于解决三维不稳定流动对两种不同几何图形的内部房间,一边加热表面。模型空间的大小为80×60×60厘米尺寸有两种不同的空气源的位置被认为是在这个仿真所示图1。对流传热系数和温度分布与两个不同的房间空气源的位置。

传热系数(HTC)

图2显示了传热系数的变化与几何的温差(a)在5 ACH不同壁温度。从图可以看出,传热系数增加墙的温度成正比。通过使用图,一个新的传热系数的相关性已被开发为:CHTC = 0.163 * (T_加热器- t_入口1.136)。

温度分布

每小时换气的影响(ACH)温度剖面图是X = 0.0225和X = 0.5725 m两种不同几何图形的内部房间,一边加热表面。在加热墙附近的空气源位置(几何)、温暖的空气可以达到更低的温度21ºC在X = 20课时0.0225所示图3。正如预期的那样,温度在X = 0.5725 m的中部地区5 ACH假设值约19ºC和低的温度分布接近年底地区20课时(图4)。

的空气源的位置远离加热墙(几何b),预见,区域内的温度范围在X = 0.0225米从19ºC 5点33ºC ACH和从19ºC 25ºC 20课时所示图5。在另一边,只有中间的部分地区在X = 0.5725 m 20 ACH关闭21ºC的初始条件,而温度分布范围发生的边缘附近地区从24ºC 26ºC (图6)。

结论

当前工作提出了一个模型来预测对流传热系数(CHTC)和内部房间,一边加热表面温度分布。各种组合的温度场决定每小时换气。从程序的结果,目前的计算机程序可用于预测流模式和内部和外部对流传热系数对复杂流动。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

引用

1. Ste´phane F和Guillaume P。造型自然对流换热的内表面,能源和建筑2006;38:548 - 553。
2. LariK,等。结合的辐射和自然对流传热包含参与广场腔气体,国际传热传质杂志2011;54;5087 - 5099。
3. Refet k .调查的辐射和对流换热系数的关系在冷却天花板房间的天花板,能量转换和管理2009;50:1-5。
4. 皮特。w .对流换热系数在一个全面的房间没有家具,建筑与环境2001;36:743 - 751。
5. BeausoleilMI。自适应模拟对流换热的内部建筑表面、建筑和环境2002;37:791 - 806。
6. Beausoleil MI。一个算法计算对流系数为内部建筑表面的房间里混流的情况下,能源和建筑2001;33:351 - 361
7. 弗朗西斯科·C等创伤性评价辐射上限之间的传热系数和房间,能源和建筑2009;41:622 - 628。
8. Durmuşa A和b Daloğlu数值和实验研究自然对流的气流在一个矩形的开放腔:应用程序在一个冰箱,实验传热,2008;21:281 - 295。