粉煤灰传热的影响研究

第30卷第7期计算机与应用化学2013年7月28日Computers and applied ChemistryJuly28,2013粉煤灰传热的影响研究杨伟',薛思瀚",张树光1.辽宁工程技术大学建筑工程学院,辽宁,阜新,1230002.辽宁工程技术大学土木与交通学院,辽宁,阜新,123000摘要:近年来国内外竞相开展利用粉煤灰等制备保温材料的硏发工作,以粉煤灰传热为硏究对象,对粉煤灰内的流场、温度玚高温壁面平均努谢尔数M进行硏究:采用整场求解法方法进行数值求解,对网格的独立性和计算过程进行了验证:得到了粉煤灰传热一些基本数据,分析了粉煤灰温度场和流场随瑞利数Rα的变化规律。硏究结果表明:随着Rα增加,开始流线均匀分布为一个顺时针大窝,逐渐变化为流线集中分布在流场外侧,而在中央基本上保持静止状态:当Ra很小时,无量纲等值线近似于平行高低温壁面的垂直线,随着Ra数逐渐增大,对应的温度等值线近似呈高温至低温的线性变化趋势;Ra小于105时,高温壁面Mat基本为2.37~3.31的定值;高温壁面底部努谢尔数№!数大,最大值为30.8,上部Na数小,最小值为1.19。关键词:粉煤灰:空气;传热:数值模拟中图分类号:TD985,O414献标识码:A文章编号:1001-4160(2013)07-721-724DOl: 10. 11719/com. app. chem201307041引言左表面温度为高温壁面T、右表面温度为低温壁面T’上下壁面为绝热边界条件,粉煤灰骨架与内部空气近年来国内外竞相开展利用无机非金属矿物和工业温度相等,即采用局部热平衡假设:空气密度随温度变废弃物等制备保温材料的研发工作。粉煤灰作为一种二化,其他热物性为常量,采用 Brinkman扩展达西模型描次资源进行开发利用具有广阔的应用前景。由于粉煤灰述流动,在模型壁面上速度均采用无滑移边界条件。假具有孔洞结构、密度低、有较高的表面活性和较大的比设粉煤灰岩体为各向同性、均质的多孔介质,内部充满表面积等特点,非常适合用于保温材料。徐子芳对空气。粉煤灰、煤矸石低温焙烧优等保温砖及性能分析,冯武对充满空气的二维不可压缩层流的稳态自然对流换威对矿物聚合法制备膨胀珍珠岩保温材料的实验研究。热,其控制方程的无量纲形式如下他们对粉煤灰研究都是采用混合物的形式,单独粉煤灰连续方程为的基础物理研究较少。粉煤灰独立存在时是一种多孔介△·v=0质结构,内部充满饱和空气或水等流体介质,采用数值动量方程为:计算的方法对他的基础研究有重要的科学意义和实践价P物理问题及数值方法研究对象可选为二维模型。研究区域选定为长宽为(VVv可p,PrVPrHXH的二维平面。物理模型见图1。traPreoTan=0流体相能量方程为:Vv=V2+H(O2-0)T固体相能量方程为ar/an=0上述方程无量纲量定义为:无量纲坐标X=xHFig. I The physical modelYyH,无量纲速度U=uh,V=wHa,无量纲压力图1物理模型收稿日期:2013-03-15;修回日期:2013-05-23基金项目:国家自然科学基金项目资助(50804021)作者简介:杨伟(1965-),男,辽宁省阜新人,副教授,研究方向为流固耦合传热机理,E-mai:Igdyw@163.com联系人:薛思瀚,E-mail:14704183608xueshanI63a163.com计算机与应用化学2013,30(7)P-pH'p'oa2,无量纲准则普朗特数Pr=w、达西数05021.0.505,从计算结果可以看出,都精确到小数点Da=KH2,瑞利数Ra=gB( T-THV a,无量纲温度后2位,后3种网格对计算结果基本没有影响,网格已具0=(7-T)(T-T)。其中:C为惯性常数;an为多孔介质有独立性。采用100×100网格进行计算。在计算之前首的有效热扩散系数,a.k()}:k,有效导热系数先进行计算方法和程序的考核。利用 SIMPLER算法进行求解,对流项采用QUCK格式12进行离散,使计算具有kn(-9+,其中φ为孔隙率,k和k,分别是多孔介较高的精度。考核初始值对计算结果影响,选择无量纲质内固体相和流体相的导热系数。温度初始值分别为0、0.5和1进行计算,计算过程如图2(图无量纲边界条件为2仅显示计算100步)。从如图2可知方程在收敛很快,说Y=0,Y=1,U=V=0,OT/an=0;明本文计算方法和程序的计算结果是可靠的。X=1,U=V=0,=01.0局部努谢尔数及平均努谢尔数定义为initial value is 0.5initial value is Iwarl!0.2平均努谢尔数Mu过局部努谢尔数沿壁面积分获得,H沿壁面总长度。选代次数3网格划分、数值求解Fig 2 Computation process of dimensionless temperature 0,图2无量纲温度θ计算过程采用非均匀网格明,网格的单元分别采用60×60、80×80、100×100、120×120共4种网格进行计算。为取得4计算结果和讨论稳态解1,假定变量迭代求解满足在计算中取粉煤灰孔隙率为0.6,比热比为1,∑叫:g.∑q≤10Pr=0.701,Da数为102。分别针对Ra数为1、10、102、为收敛(为变量,n为迭代次数)。考查点(0.5,0.5)103、104、105、105、107、103、10、101°、10和导热工无量纲温度值,计算结果分别为:0.5006、0.5013,况进行计算,部分计算结果见图3~图6。0.045-130.005(d)()a=10,(b)Ra10,()R10,(d)Ra=10Fig 3 Stream lines curve of Ra图3流线数随Ra变化关系从图3流线数随Ra变化关系可以看出:随着Ra增静止状态加,粉煤灰内对流增强,由Ra=103时流函数最大值图4为无量纲温度θ随Ra变化关系。从图中可以看Wmax≈0.045,发展至Ra=10时wmax≈13;对流强出:当Ra很小时,当粉煤灰内内对流作用较弱时,热的度分布愈来愈不均匀,由开始流线均匀分布状态Ra=103传输主要依靠传导作用,因此无量纲等值线近似于平行一个顺时针大窝,逐渐变化为流线集中分布在流场外侧高低温壁面的垂直线,随着Ra数逐渐增大,对应的温度(Ra=103),即在流场外围剧烈流动而在中央基本上保持等值线近似呈高温至低温的线性变化趋势;而当对流作2013,3杨伟,等:粉煤灰传热的影响研究用较强时,它成为热传输的主要动力。0.9(a)Ra=103,(b)Ra=105,(e)Ra=10°,(d)Ra=10Fig 4 The variation relationship of 0 with the Ra图4θ随Ra变化关系值为237~3.31:超过该值后,Nu沿竖向壁面由高向低变小,最大值为30.8,最小值为1.19。分析其物理机理为底部温差大,Mu数大,上部温差小,Mt数小结语通过对粉煤灰传热研究,可得到以下结论:(1)随着Ra增加,粉煤灰内对流增强并且对流强度分布愈来愈不均匀,由开始流线均匀分布为一个顺时针大窝,逐渐变化为流线集中分布在流场外侧,而在中央基本上保持静止状态。ig. 5 Nu curve of Ra on high temperature wall.(2)当Ra很小时,热的传输主要依靠传导作用,无图5高温壁面Nu与Ra变化关系量纲等值线近似于平行高低温壁面的垂直线,随着Ra数图5为高温壁面Na与Ra变化关系。从图5可明显看逐渐增大,对应的温度等值线近似呈高温至低温的线性出:瑞利数对腔内对流换热过程的影响是显著的,当瑞变化趋势;而当对流作用较强时,它成为热传输的主要利数小于103时,粉煤灰内自然对流作用非常微弱,此时动力腔内换热机理主要依靠导热进行;随着瑞利数逐渐增加,(3)当瑞利数小于10时,腔内换热主要依靠导热进№u迅速增加,粉煤灰内换热机理主要依靠对流换热进行;随着瑞利数逐渐增加,№迅速增加,换热杋理主要依靠对流换热进行。(4)当瑞利数小于103时,高温壁面M基本为Heat conduction2.37~3.31的定值;超过该值后,底部Ma数大,最大值为30.8,上部M数小,最小值为1.19。Refer20Ra-105I Luo Daocheng. 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School of Civil Engineering and Transportation, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning Province, China)Abstract: In recent years, researches and development works on making thermal insulation material with fly ash and others are competitivelaunched at home and abroad. Heat transfer of fly ash is the object of study. The flow field, temperature field and average Nusselt numbers nieof the high temperature wall surface in the fly ash are studied. Numerical solution is carried out using whole field solving method. The gridindependence and computation process are verified. Some basic data is obtained and the change of temperature field and flow field of fly ashwith Rayleigh number Ra is analyzed. The results of the study show that: with the increase of Ra, at first the flow lines are uniformlydistributed as a clockwise big nest, gradually the flow lines are concentrated in the outer side of the flow field, while in the centre they remainmainly stationary state: When Ra is very small, non-dimensional contours approximately parallel the vertical line of wall surface of the highand low temperature, with the gradually increase of Ra, the corresponding temperature contours approximately forms as the linear trend ofthe high temperature to the low temperature: When Ra is less than 105, Nu of the high temperature wall surface is a constant value of 2. 37to 3.31: Nu of the bottom of high temperature wall surface is large, the maximum value is 30.8, Nu of the upper part is small, theminimum value is 1.1Keywords: fly ash; air; heat transfer; numerical simulation( Received:2013-03-15; Revised:2013-05-23)