Simdroid 环状封闭腔中的自然对流仿真（附APP）

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背景

封闭腔内的自然对流换热在热机工程中有着广泛的应用，例如太阳能吸热器微电子设备的冷却、封闭核反应堆核心的气体腔等，自然现象中温度梯度产生的浮力也会引起流体的运动，因此具有很高的理论研究价值。

环状模型也是封闭腔的一种，本文采用自主CAE软件Simdroid对封闭的同心环和偏心环模型内的对流传热进行模拟，通过与已有文献的对比来探究其在各种工况下的流动情况。文章最后，将这一类型仿真整合成一个APP，只需要改变主要参数就可以模拟各种环状封闭腔内的自然对流。

瑞利数

瑞利数Ra是流体力学中一个重要的无量纲数，用来描述浮力驱动引起的自然对流中热量传递的关系，是热传导起主要作用还是对流起主要作用。

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其中g是重力加速度，β是热膨胀系数（若是理想流体，可近似为绝对温度T的倒数1/T），△T为温差，特征长度[img=130,0]https://cdn[/img]

υ为粘度系数。

自然对流中，主要根据瑞利数判断流态。大量文献表明，当瑞利数小于108时，流动为层流，在108-1010之间，层流转向湍流状态，大于1010为湍流状态。

本APP主要用于研究层流状态时的自然对流。

几何模型

半径分别为R0，R​i的两个圆柱水平放置，内圆柱可以自由移动，内圆心的位置参数由偏心率ε和偏心角α决定，其中内圆心到外圆心的距离[img=130,0]https://cdn[/img]

本案例简化为二维模型进行仿真。

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材料

选定理想气体，粘度、普朗特数、比热容均进行参数化绑定，以便于仿真工况的更改。

结果分析

一、同心圆环仿真结果

保持几何模型和边界条件不变，外径46.25mm、327K，内径17.80mm、373K，模型为同心圆环。保持普朗特数Pr=0.7，改变瑞利数，对比流动的变化。以下图中，左半部分显示模型内的流线，右半部分显示模型内的等温线。

当Ra=103时，等温线没有发生弯曲，圆环腔内的主要传热方式为导热传热；Ra=104时，等温线出现明显反向弯曲，说明此时已经出现了对流传热；瑞利数越大，等温线反向弯曲越明显，涡心的位置越向上移动，对流传热的作用逐渐超过导热传热，顶部的换热效率高于底部。仿真结果与参考文献的理论数值结果一致。

二、不同模型内的自然对流

保持Ra=106，Pr=0.7不变，取偏心率ε和偏心角θ分别为（0，0）、（0.623，0）、（0.623，180），看不同环状模型内的自然对流情况，其中角度范围见几何示意图标注。

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可以看出，三种模型均在底部存在换热停滞区，当内壁面逐渐下沉时，对流范围逐渐增大，因此腔内的温度更均匀，停滞区域逐渐减小。

仿真APP

综合以上分析，环状封闭腔内的自然对流复杂多变，基于Simdroid平台的APP开发功能，封装了一个这一类仿真的APP，可点击链接在线体验，并可观看演示视频：www.simapps.com/v/28694.html

本案例Simdroid 工程文件下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1TPZ1gs-9_fX25UEZT-My0w

提取码：nxty

参考文献

[1] Kuehn T H , Goldstein R J . Anexperimental and theoretical study of natural convection in the annulus betweenhorizontal concentric cylinders[J]. Journal of Fluid Mechanics Digital Archive,1976, 74(04):695-719.

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Simdroid 是由北京云道智造科技有限公司开发的基于“仿真平台+仿真APP”模式的通用多物理场仿真平台。该平台具备自主可控的结构、电磁、流体和热四大物理场求解器和多物理场仿真内核，在统一友好的环境中为仿真工作者提供了前处理、求解分析和后处理工具，同时其内置的APP开发器支持用户以无代码化开发的方式便捷封装全参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP，实现知识变现。仿真APP通过APP商店Simapps 实现在线展示、交易，用户通过云端快速、便捷、低成本使用各类工业APP，真正实现普惠仿真的愿景。Simdroid 已经开展了广泛的商业化推广，在电力、家电、生物医疗、电子信息、航空航天等行业领域得到了工程化应用。现已开放试用，登录注册申请试用：www.simapps.com/user/my.action