Естественная конвекция в замкнутой полости с реберной структурой при наличии неравномерного температурного профиля на вертикальной стенке

Аннотация

Развитие энергетического приборостроения, электронной отрасли и энергетики в целом неразрывно связано с интенсификацией тепломассообменных процессов, протекающих в базовых узлах и агрегатах энергетических систем. Одним из подходов к решению такой задачи является создание развитой поверхности теплообмена за счет введения реберной структуры или пористых вставок. Данная работа посвящена математическому моделированию естественной конвекции в замкнутой полости при наличии реберной структуры и неравномерного профиля температуры на одной из вертикальных стенок. Определяющие дифференциальные уравнения в частных производных, записанные в безразмерных преобразованных переменных «функция тока – завихренность скорости – температура» на основе приближения Буссинеска, совместно с начальными и граничными условиями реализованы численно на основе метода конечных разностей. Разработанная вычислительная модель была протестирована на множестве сеток, а также верифицирована путем сравнения полученных результатов при решении модельных задач с данными других авторов. Численные исследования нестационарных режимов естественной конвекции жидкости с переменной температурой на левой стенке в замкнутой полости при наличии реберной структуры были проведены при следующих значениях безразмерных параметров: Pr = 0.71, 103 < Ra < 106, а количество ребер варьировалось от одного до трех. Все распределения изолиний функции тока и температуры, а также зависимости среднего числа Нуссельта и интенсивности конвективного течения внутри полости от определяющих параметров были получены в стационарном режиме, когда наблюдается установление картины течения и теплопереноса. В результате анализа установлено, что введение твердых ребер позволяет интенсифицировать теплообмен при малых числах Рэлея, а при Ra > 105 наблюдается ослабление конвективного механизма переноса энергии. Также повышение коэффициента теплопроводности материала ребер характеризует рост интенсивности теплообмена.