侧壁效应对Rayleigh-Bénard对流影响的数值模拟研究

Rayleigh-Bénard(RB)对流的研究中通常使用侧壁绝热的温度边界条件，然而实际的对流换热设备中侧壁存在导热性且会对系统传热和流动特性产生影响。为探究侧壁导热性对RB对流的影响，本文采用侧壁等温假设，即侧壁温度为上下壁面温度的平均值，使用二维和三维直接数值模拟的方法研究了侧壁恒温的RB对流。流体工质为普朗特数Pr=5.3的水，二维和三维方腔宽高比Γ为1。将侧壁等温的计算结果与经典的侧壁绝热的RB对流结果进行比较，研究表明：侧壁等温时，二维和三维系统中均存在上下壁面Nu不相等的情形，该特性发生在有限的Ra值区间内，且与系统内的流动结构密切相关；侧壁恒温时，系统的传热效率要高于侧壁绝热情况下的传热效率，这是由于侧壁恒温条件下，一部分热量可以直接通过侧壁来传递，从而绕开温度边界层。当采用恒温边界条件时，流场的强度减弱，从而系统的Re要小于侧壁绝热条件下对应的Re。