【摘 要】
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近年来,基于电流体动力学(Electrohydrodynamics,EHD)理论,介电流体在电场力作用下形成宏观流动的现象在工程技术领域引起了广泛关注,其中基于EHD的强化传热技术应用于众多复杂热能系统,发展潜力巨大,其中包含固液两相的热能系统在储能、电子芯片冷却、航天热控等领域应用前景良好。因此,本文围绕封闭方腔内的固液两相系统,采用适用于多场耦合问题的格子Boltzmann方法(Lattice
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近年来,基于电流体动力学(Electrohydrodynamics,EHD)理论,介电流体在电场力作用下形成宏观流动的现象在工程技术领域引起了广泛关注,其中基于EHD的强化传热技术应用于众多复杂热能系统,发展潜力巨大,其中包含固液两相的热能系统在储能、电子芯片冷却、航天热控等领域应用前景良好。因此,本文围绕封闭方腔内的固液两相系统,采用适用于多场耦合问题的格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)进行数值模拟,并结合实验研究,探索在EHD作用下固液两相的相变及耦合传热系统的流动及传热情况。基于物理问题明确数学模型,根据全耦合控制方程组(包括Navier-Stokes方程、电势方程、电荷密度守恒方程以及能量方程)建立研究系统的LB模型。针对相变系统,结合数值模拟和实验研究,探索在固液两相的相变过程中,EHD效应对于系统传热、流场以及电荷输运的影响。研究发现:在数值模拟参数下,EHD效应对Rayleigh-Bénard对流相变系统的强化效率达到62.81%,对侧壁加热自然对流相变系统的强化效率达80.91%,因此说EHD对侧壁加热自然对流系统的影响更为显著;在方腔-圆柱系统中进行正十八烷相变实验,发现高强电场确实可以对相变传热起到强化作用,随着电场的增强,强化效果越明显,且电场极性对于相变速率也有一定影响,相较于正压,给系统施加负电压会加速固相的熔化。针对耦合传热系统,考虑固液两相的物性差异,探索电场强度、瑞利数Ra、固相介质尺寸F以及内置热源强度Δθ对于系统传热、流动以及电荷输运的影响。研究发现:在电荷注入条件下,直流电场对耦合传热系统有显著的强化作用,且在计算参数下,随着电瑞利数Ta的增大,强化效果越明显;瑞利数Ra对EHD耦合传热系统的稳定性与换热强度有影响,瑞利数Ra越大,系统对流换热越强,且系统振荡越明显;固相介质的尺寸F也会影响系统的传热,在计算参数下,当F=0.3时候,EHD对系统的强化效果最佳,当F=0.7时,EHD对系统无强化效果;最后考察内置热源强度Δθ的影响,发现EHD的强化效果在Δθ=25时最大,可达到34.81%。本文将数值模拟与实验研究相结合,重点分析了EHD在不同系统中的强化传热效果,并且研究了不同参数对于系统流动及传热的影响,不仅为EHD强化传热技术在固液两相系统中的进一步发展提供了理论支持,并且为多相系统的变热物性LB模型在实际应用中奠定了基础。
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