复杂热环境中大型薄壳体内的自然对流数值模拟

论文摘要

封闭腔内的自然对流在自然界与工程技术中有广泛的应用背景。目前对复杂热环境条件下大型薄壳体封闭腔内可压缩气体的自然对流特性还缺乏认识,研究复杂热环境条件下大型薄壳体封闭腔内可压缩气体的自然对流特性对进一步完善自然对流理论具有重要意义。本文以平流层浮空器为研究背景,采用FLUENT软件,结合UDF接口技术,对大型球形和双椭球形薄壳体封闭腔在不同复杂热环境条件下的自然对流特性进行了数值模拟。首先,对FLUENT软件求解自然对流的不同模型进行了比较分析,针对所模拟对象具有几何尺寸大、非线性和易发散等特点,确定了求解大体积封闭腔内自然对流的方法。在此基础上,建立了球形和双椭球形模型及计算网格系统,结合UDF接口技术,引入外部非均匀的辐射-对流热环境条件。通过模拟计算,考察了不同热环境中球形与双椭球形大型薄壳体封闭腔内可压缩气体的自然对流换热与流动特性,获得了气体温度、速度、压力、密度及质心等参数随外部热环境的变化规律,分析了表面辐射物性等相关因素的影响,得出了此类封闭腔内自然对流换热系数的数值范围及其随表面无量纲温度的变化规律。通过本文研究,为认识复杂热环境中大型薄壳体封闭腔内自然对流特性、进行热设计或相关技术应用提供了必要的知识积累与参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究进展及现状
• 1.2.1 研究方法
• 1.2.2 国外研究进展和现状
• 1.2.3 国内研究进展和现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 本文的工作
• 第2章 自然对流模型及算法分析
• 2.1 封闭腔内自然对流控制方程
• 2.2 算例验证
• 2.2.1 二维算例验证
• 2.2.2 三维算例验证
• 2.2.3 算例验证获得的结论
• 2.3 FLUENT 中不同求解模型对比分析
• 2.3.1 分离求解和耦合求解对自然对流的影响
• 2.3.2 不同密度处理方法对自然对流的影响
• 2.3.3 不同模型对比分析获得的结论
• 2.4 本章小结
• 第3章 球形封闭腔内自然对流模拟
• 3.1 几何模型及网格独立性分析
• 3.1.1 几何模型和网格划分
• 3.1.2 网格独立性分析
• 3.2 控制方程及边界条件
• 3.2.1 球内自然对流的控制方程
• 3.2.2 表面边界条件
• 3.3 FLUENT 求解模型选择及φ角和α角定义
• 3.4 定点过程模拟
• 3.4.1 表面温度分布
• 3.4.2 内部气体温度分布
• 3.4.3 内部气体流场分布及内表面平均换热系数
• 3.4.4 内部气体压力分布
• 3.4.5 内部气体密度和质心变化
• 3.5 升空过程模拟
• 3.5.1 内部气体温度分布
• 3.5.2 内部气体流场分布及内表面平均换热系数
• 3.5.3 内部气体密度和质心变化
• 3.5.4 内部气体压力不均匀性
• 3.5.5 内部气体平均压力和平均温度随升空高度变化
• 3.6 球内表面对流换热系数
• 3.6.1 局部热流和换热系数沿高度方向的分布
• 3.6.2 局部热流和换热系数沿圆周方向的分布
• 3.6.3 换热系数与表面温度的关系
• 3.7 本章小结
• 第4章 双椭球形封闭腔内自然对流模拟
• 4.1 几何模型及网格独立性分析
• 4.1.1 几何模型及网格划分
• 4.1.2 网格独立性分析
• 4.2 控制方程及边界条件
• 4.2.1 双椭球内自然对流的控制方程
• 4.2.2 表面边界条件
• 4.2.3 FLUENT 求解模型选择及双椭球表面φ角和α角定义
• 4.3 定点过程模拟
• 4.3.1 表面温度分布
• 4.3.2 内部气体流场分布
• 4.3.3 内部气体压力和密度不均匀性
• 4.3.4 内部气体体积变化
• 4.4 升空过程模拟
• 4.4.1 温度分布
• 4.4.2 内部气体流场分布
• 4.4.3 内部气体压力和密度不均匀性
• 4.4.4 内部气体平均温度和压力变化
• 4.5 双椭球内表面局部热流和对流换热系数
• 4.5.1 局部热流和换热系数沿高度方向的分布
• 4.5.2 局部热流和换热系数沿圆周方向的分布
• 4.5.3 对流换热系数与表面温度的关系
• 4.6 本章小结
• 第5章 模拟结果比较分析
• 5.1 浮空器内部平均对流换热系数对比
• 5.2 平均对流换热系数随φ角关系的比较
• 5.3 浮空器内表面换热系数与表面温度关系的比较
• 5.4 材料辐射物性对浮空器热特性的影响
• 5.4.1 表面温差变化
• 5.4.2 内部气体质心变化
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢