高物性变化流体密闭空间内自然对流的数值模拟

第３９卷第１２期

２０１０年１２月

辽

Ｌｉａｏｎｉｎｇ

宁化

工

Ｉｎｄｕｓｔｒｙ

Ｖ０１．３９，Ｎｏ．１２

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１０

Ｃｈｅｍｉｃａｌ

高物性变化流体密闭空间内

自然对流的数值模拟

李治１，袁达忠２

（１．中国石油管道沈阳输油气分公司，

辽宁沈阳１１００３１：２．北京市中国科学院工程热物理研究所。北京１００１９０）

摘要：

流体物性随温度变化呈现高变化特性时，密闭空间流体自然对流规律的模拟计算需要采用

变物性计算方法。以液态水为研究对象，采用变物性方法研究其在密闭空间内的自然对流现象，分析温度变化时流体流动与传热过程，并采用分子间距变化规律对变温差下的密闭空间满液体理论进行解释。模拟计算结果表明：液体密度、粘度随温度改变较大时，对密闭空间内流体传热过程有较大影响，采用变物性方法可队更准确地模拟密闭窄间内自然对流现象，并为热管技术的发展奠定一定的理论基础。关键词：自然对流；数值模拟；变物性中图分类号：

ＴＱ０２１

文献标识码：

Ａ

文章编号：１００４．０９３５（２０１０）１２．１２９７．０５

密闭空间内的流动与传热现象在很多场合得到应用ｕ。３。。对于密闭空间内气体的自然对流现象，实验测定和数值计算结果相当一致Ｈ。５１。在密闭空间

内，对于某温度满液体充装情况，当温度发生变化

时，也将形成密闭空间内的自然对流现象。由于液体的物性参数，如密度，粘度等随温度变化很大，在密闭空间将存在“未满”和“过满”情况；体积确定时，密度的降低必然导致密闭容器内压力的改变；这种现象是常规采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设咿引进行数值计算所没有考虑的；同时粘度随温度的变化也将对密闭空间内的流动与传热产生影响，需要更适合的方法对这种情况进行分析。姜培学睁１０。采用变物性方法研究不同工质在水平同心套管间自然对流换热性能。

本文采用变物性的方法进行满液体密闭空间内流动与传热规律。对密闭空间内不同热边界条件下的质量变化规律进行研究，指出由于温度变化引起密闭空间内质量变化，从而产生系统内压力的改

图１二维密闭方腔内的自然对流换热

为了便于分析和讨论，在计算过程中进行如下假设：（１）密闭空间内始终是满液位的流体，从而计算密闭空间内质量变化；（２）计算流体满足不可压缩牛顿流体基本假设：（３）流体流动在层流范围内：（４）密闭空间内为单一流体，不存在两相或多相。

１．１控制方程

密闭空间内，流体流动与传热过程可以采用连

变，从而验证采用变物性计算方法对于计算这类现

象的正确性和可行性，以及为热管技术提供一些参考。

续性方程、动量方程和能量方程来描述，其基本方

程叙述为：

竺＋竺：０

（１）

１方程描述

本文以二维密闭空间内液体在自然对流情况

ａｘ砂

未妇“，＋专伽，＝一罢＋暖（∥謇）＋号（喀］］ｃ２，

收甍日期：２０１０－０８—０９作者简介：李治（１９７７－），男，辽宁沈阳人，助理工程师。

辽宁未㈨＋专㈨一引丢（∥罢）＋专（∥讣枷，丢伽ｒ）＋专∽ｒ）＝Ｉ未●誓）＋专●等］ｌ

ｃ４，

１．２边界条件

如图１所示，密闭空间内流动边界条件可以采

用无滑移边界条件；设置上、下底面的热边界条件

为绝热边界条件，左侧面的热边界条件为高温边

界，右侧面为低温边界条件，为分析问题方便，假设其温度固定为４０．０℃。即：

ｑ＝０，ｙ＝Ｈ

（５）

ｑ＝０，ｙ＝０

（６）

Ｔ＝乃，工＝０（７）

Ｔ＝瓦，ｘ＝Ｗ

（８）

１．３热物性

，７

４０．０～９０．０℃变化范围，液态水的热物性发生很大的改变，如图２、图３所示。

Ｏ９９９９９９

一，Ｅ．

∞粤＼ｑ

９９９９

图２液态水随温度变化

图３液态水粘度随温度变化关系

图２描述了纯水密度的变化规律，当温度升高时，密度非线性减小，一定质量的液体在没有密闭的情况下，体积将变大，因而满液体时，密闭空间内的水必然受到压缩，导致参考压力值发生改变；从图３中可以得到，粘度的改变超过１倍以上，因

化

工

２０１０年１２月

此需要考虑密度、粘度的改变对密闭空间内的自然对流现象的影响。流体其他物性参数也随着温度的改变而改变，表１以４０．０℃为基准，给出各物性参数变化的相对值。

表１液态水相对热物性随温度变化

从表１中可以看到，密度改变导致参考压力的增加，粘度变化必然要对流体的流动产生重要影响。液体的导热系数绝对数值相对较小，最大相对值的改变仅达到６．５９％，对于比热而言，仅改变了０．６１％，因此这两个系数仍然按照常系数进行考虑。

２求解与讨论

本文采用非均匀网格，即在近壁处采用较细的网格，而在密闭空间中心处则采用较粗的网格。采

用热侧平均对流传热系数的迭代总残差，或平均努

塞尔特数肋数低于某一给定值作为该物理量是否

收敛的判据。其基本定义式为：

％广一三ａＴｆｔ，圳ａｘ）脚

（９）

－ｆｉ：羔二

ｙ％，

（１０）

Ｎ

砌：．ｐＮｕ：－－ｈＨ

２ｃｐｇ五

ｎ３（ｇＡＴ

（１１）肼

（１２）

’。

关于计算公式的差分格式，文献…１指出高尺口

数时，采用５点差分格式能够获得高精度的计算结果，首先对热壁面附近的３个控制单元进行中心插值，获得平均值；再采用３点差分格式计算式（９），

计算发现同样可以满足高精度的要求。对不同网格

数时的平均努塞尔特数肋数进行计算，计算得到

网格数为１２０Ｘ１２０时，指标基本与网格无关，如

图４所示，误差限＜０．０１。因而在下面相关特性参

数计算时，都采用网格数为１２０Ｘ１２０的情况。２．１程序验证性

采用变物性计算方法与Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设方法

！！！！兰！！自

至堕：！：苎塑！！！￡垫生童堕皇目！自苎壁墨塑墨堡垡型

！！！！

对峦闭空间内的自然对流现盘ｔｉ实验结果进行北

ｊ盘，如嗍５所示。

羯

田５不同计算方＊对应的对菠传热系数

在胎＝ｔ０７的情况ｒ．通过变物性方法，应用

阿格数目为１２０Ｘ１２０，和潮格数为１６０×１６０Ｈ算

褂到的肌热面的局部对漉传热系数非常一敛；而果用相ｌ目的网格数目为１２０×１２０，采用Ｂｏｕｓｓｉ㈨ｏｑ假设打法和采用变物性方法获得的局部对２ｉ５Ｅ忙热

系数有ｊ＃常犬的芹距。从而说明，在船数比较大

的情况Ｆ．采用变物性方法计算流体流动’，１々热过

程儿靠史高的精度。

２

２漉形分析

为采用无量纲形式，以敷世ｒ比较．采用特性

速度Ｕ＝０００１ｍ／ｓ，特性长度Ⅳ＝００１ｍ．固定拎却睡温度４００℃。通过改变加热酮的温度．麻卅坐物性的方法分析密闭空间内流体流动．以及高度变

化引起压力变化情况进行讨论。

圈６反映了船数不同情况时．水平中截面Ｊ

向述度分布形式．鼬昔月口数的不断增加．在两个温度侧面的速度分布得到增强，在密闭空间的中心

区域．速度分布形式几乎重台。同时随着舶数的

增强，速度最高点蚪移．壁面附近的流动得到增强。

图７描述了肋数不同情况时．水平方向中截

面

ｌ

Ｈ

固６木平中鼍面，向遗廑分布随加数变化关系

围７不同知傲下水平中稚面，向遵度＊布

髓若肪数的增加．睡直方向巾藏面速度中心

赴的最大值减小，『目时向ｊ琏面附近倌移，说明外侧

流动得到增强：柞靠近蹙面附近，速度的最大值增加．成为流动ｉ＝上槲中的最大速度位：虽然在靠近孽面附近的速度蛙＾ｆ『【仍在上升，但土体区域速度区

域几乎重合．说明在密闭空间自然对流传热时．水应通过增加温差来达到强化传热的目的。

圈８描绘丁舶数不同情况时，垂商中截面ｙ

向速度分布形式，与图６类似．随着胎数的增强．速度峰值增大：尽符速度影响区域减少，但绝对影

响值增大，流动过程得到增强。

＊Ｈ

图８｝同舳戥Ｔ垂直中藏面，向速廑分布

辽宁图９反映了冷壁面温度为４０．Ｏ℃，不同温差作用下密闭空间内平均密度与５０．０℃初始满充装时的关系。

图９密闭空间内密度随温差变化的相对改变

图９间接说明在不同温差作用时，密闭空间内的液体填充程度。在平均温度小于５０．０℃时，密闭空间内是一种“未满”状态，依靠分子间的膨胀来实现满液体：而当平均温度高于５０．０℃时，这种满液体的密闭空间实际上已经处于“过满”状态，要保持满液体的密闭空间，液体分子间距必然要受到挤压。大充装量热管中也存在这种现象，此时热管内的传热现象应该采用相变传热理论，还是采用自然对流传热的分析方法，需要进一步进行实验和理论研究。２．３传热特性

图１０反映了不同温差作用下，加热面局部对流传热系数的变化规律。随着温差的加大，对流传热系数变化趋势越来越明显。在靠近加热面下部分区域，由于流动得到增强，热流密度变化很快，因而出现对流传热系数的峰值；在加热面上部分区域，温度梯度变化平缓，流动甚至出现死区，传热效果不明显，因而所有温差作用下，其对流传热系数趋近一致，都是在１０Ｗ／（ｍ２．Ｋ）的量级。

图１０不同温差时加热面局部对流传奏憔数

化

工

２０１０年１２月

图１１反映了平均肋数和温差随屁数的变

化规律，分析得到温差变化导致流体密度的缓慢变化，而引起流体粘性成倍性能下降，从而增强了流

体的流动，使平均肋数提高了８６．７％以上。

Ｒａ

图１１平均Ｎｕ数和温差与砌数的关系

３结论

（１）物性参数随温度变化很高时，采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ假设方法计算密闭空间内流体流动与传热现象存在很大误差，须采用变物性的计算方法；

（２）两侧面温差＞２０．０Ｋ时，密闭空间内流体传热系数在常物性与变物性下有明显差异；

（３）在计算范围内，密度的变化范围为＋０．２～一Ｏ．８％，需要考虑分子间作用力的影响才能符合密闭空间满液体情况；

（４）粘性力也是改变液体在密闭空间内运动方式的主要因素，使热侧面平均Ｎｕ数提高了

８６．７％。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ

（１．ＣｈｉｎａＰｅｔｒｏｌｅｕｍ

ｔｈｅ

ｃａｓｅｔｏ

ｏｆｆｌｕｉｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｉｎｇｗｉｔｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｕｔｉｌｉｚｅｔｈｅｖａｒｉａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙｓｉｍｕｌａｔｅｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｉｎｓｉｄｅａｎｅｎｃｌｏｓｅｄｓｐａｃｅ．ＩｎｔｈｉｓＰａＤｅｌ＂，

ｌｉｑｕｉｄｗａｔｅｒｗａｓｕｓｅｄａｓｓｔｕｄｙ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

ｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄ

ｉｔｓｎａｔｕｒａｌｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ

ｉｎｓｉｄｅｔｈｅｅｎｃｌｏｓｅｄｓｐａｃｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｖａｒｉａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙｍｅｔｈｏｄ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ

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ａｎｄ

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ｓｐａｃｅ．ａｎｄｔｈｅ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

ｏｂｔａｉｎｅｄｒｅｓｕｌｔｓｗｉｌｌｌａｙＮａｔｕｒａｌ

ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｈｅａｔｐｉｐｅ．

ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｖａｒｉａｂｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ

（上接第１２１６页）

实用价值。

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Ｊ

Ｇ，

Ｖｉｓｓｅｒ

Ａ

Ｅ，

３

结束语

利用［Ｃ４ｍｉｍ］［ＰＦ６】作介质进行ＭＭＡ和Ｓｔ的自

Ｒｅｉｃｈｅｒｔ州，

ｏｆ

ｅｔａ１．ａｎｄ

Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｔｈｅ

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ｉｏｎｉｃ

ｈｙｄｒｏｐｈｉｌｉｃ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｌｉｑｕｉｄｓｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ

由基聚合反应，与相同条件下在传统溶剂苯中的聚合速率和相对分子质量相比都有较大的提高，且分子量分布复合常规均相自由基聚合的特征，聚合速率和分子量的提高可从介质粘度大和形成单体溶胀的聚合物相对自由基的包裹导致自由基终止反应受扩散控制得到合理解释，且产物易于分离，整体聚合过程避免了大量挥发性有毒有机溶剂的使

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ＩｎｄＥｎｇ

Ｌ

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用，具有环境友好的优点，且离子液体介质能重复

利用多次，得到的产物性能稳定，具有很好的经济

ＪＦ．ＲｅｃｏｖｅｒｙｏｆＯｒｇａｎｉｃＰｒｏｄｕｃｔｓ

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ＱＩＡＯＪｉｎ－ｚｈｏｎｇ

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ｉｎ【Ｃ４ｒｎｉｍ］［ＰＦ６】ａｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｉｎｂｅｎｚｅｎｅａｔｔｈｅ

ｏｂｔａｉｎｅｄｗｉｔｈｒｅｃｏｖｅｒｅｄ［Ｃ４ｍｉｍ］［ＰＦ６】ａｓｓｏｌｖｅｎｔａｒｅｓｔａｂｌｅ．

ｌｉｑｕｉｄｓ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；Ｓｔｙｒｅｎｅ；Ｒａｄｉｃａｌｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ；Ｉｏｎｉｃ