底部加熱水平扁平管中由浮力引起之空氣混合對流渦流結構數值研究

Abstract

本篇論文係利用數值模擬來研究底部加熱水平管中之空氣混合對流因浮 力 熱傳問題。在數值運算中，我們利用高階上風差分法 (upwind finite difference scheme)直接求解納維爾-史托克斯 (Navier-Stokes) 和能量方程式。當雷諾數(Re)由2.5到50，雷利數(Ra)小於31000而矩形管 寬高比由4到 12時，我們發現了幾種不同的渦流結構。首先，在扁平管中 當雷諾數大於 [熱比值（Gr/Re2)時，流場結構為穩態的軸向渦流（ longitudinal右對稱且規則地往下游成長為完全發展（fully茼b較高的雷 利數或較低的雷諾數時，流場變為 蛈V旁壁或中央面。而渦流往下游移動 的同時也不斷地改變大小最後不再到達完全發展態。當雷諾數小於10時， 橫向渦流 (transverse vortex入口處產生然後往下游移動。對於 饇牧犒 p利數流場變得紊亂且到處充滿了不穩定且不規則的渦流。 的矩形管，橫 向渦流首先在進口處產生隨著往下游移動的同時逐漸轉變成軸向渦流。最 後的流場型態為上游是橫向渦流而下游為軸向渦流的週期性流場。當寬高 比大於9時，在靠近旁壁處有二到三捲渦流而在管道中央則為橫向渦流。 同時在橫向渦流區其流場隨時間震盪的幅度遠大於在軸向渦流區的震盪幅 度。 Q數從次臨界值(subcritical)升高到超臨界值 以探討橫向渦流及軸 向渦流和橫向渦流混合之兩種流 b一開始，一對軸向渦流在旁壁產生，同 時在進口處產 V渦流，隨著時間的增加，橫向渦流逐漸變長且強度增 劓 呇荓N軸向渦流推出管外，同時新的橫向渦流在進口 々p於5時，橫向渦流 較長且較強，以至於所有的軸向渦 A所以整個管內均是橫向渦流。對於較 高的雷諾數 鶿y較短且較弱，因此在靠近旁壁仍有一些軸向渦流存在而形 成橫向渦流與軸向渦流共存的流場結構。