液态金属流体自然对流换热数值模拟研讨.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：093266 液态金属流体自然对流换热数值模拟研究 1 1 1 1* 门玉宾 ，刘元春 ，刘文铁 ，何玉荣 （1.能源科学与工程学院，哈尔滨工业大学，哈尔滨，中国，150001） （Tel: 0451 Email: rong@hit.edu.cn ） 摘要：本文模拟了液态金属流体镓（Ga ）自然对流流动和传热过程。采用单流体模型研究液态金属流 体镓的流动特性和传热机理。模型中考虑了边界条件对自然对流的影响，并选用了合适的边界条件进 行了模拟，模拟得到的温度和速度的分布图与实验数据吻合。 关键字：自然对流，数值模拟，液态金属流体镓 1 前言 自然对流在能源、航天、材料加工等领域具有十分重要的影响，尤其是在低普朗特 数下，由于温度的不同产生温度梯度，容易使内部的流体形成自然对流。研究表明，80% 的晶体结晶都是通过固化而得到的。这种由于温度梯度而产生的力以浮升力的形式作用 在了流动的液态流体中，这样流体在结晶成长的过程中由于其传热作用导致结晶分布的 不一致，产生了异构型的晶体。这种异构性，宏观上影响了晶体的成长质量[1]。在半导 体行业中，需要加强对这种流动传热的控制，减少它对晶体结晶的影响。但是对于这方 面流动传热的研究还不够成熟，这为流动传热领域的研究人员和材料等相关专业的工程 技术人员提出了新的挑战和机遇[2]。 目前，在此领域中针对液态金属流体流动和传热特性的自然对流的实验研究较少， 而且实验费用昂贵。采用数值模拟的方法同样可以获得详尽的信息，因此成为研究此项 问题的较通用的工具。但是，数值模拟研究仍具有一定的误差，需要对其模型和计算域 作进一步的研究。 本文主要是运用数值模拟的方法，应用fluent®6.3 商业软件，采用单流体模型研究 温度梯度是水平方向时的液态金属镓的传热和流动过程。并与实验进行比较，讨论其形 成的机理和分布的规律。 2 数值模型 自然对流换热过程模拟中 ，采用单流体模型和Boussineq 假设，选取合适的流体 流动的控制方程和边界条件。 2.1 液态金属流体的控制方程 此模拟中自然对流的连续性方程[3][4]分别为： ∇⋅u 0 （1） 其中u 是液态金属的速度矢量。 来稿日期：5 月31 日。 基金支持：教育部新世纪优秀人才支持计划，人事部留学人员科技活动项目择优资助经费，黑龙江省 博士后资助经费，哈尔滨市科技创新人才研究专项基金（No. 2008RFLG005 ）。 第一作者简介：门玉宾，男，1985 年出生，硕士研究生，主要研究方向为多相流流动和传热的研 究。 ∂u 2 +u ⋅∇u =−∇p +Pr∇ u −RaPrg ∂t （2 ） 其中Pr 普朗特数，Ra 是无量纲数，具体的数值见下面的公式。 ∂T 2 +u ⋅∇ =∇ （3 ） T