【摘 要】
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堆积床结构广泛存在于工程领域,比如水冷堆、电子元器件冷却以及蓄热器,会涉及堆积床内的强制对流换热、磁场作用下的强制对流换热以及自然对流换热,而在不同的应用场景中,对换热的增强或抑制的需求也不相同。因此,准确地定量描述有无磁场下的堆积床内流体流动和传热是预测、优化乃至设计应用的关键。本文利用开源工具Blender和Open FOAM分别实现堆积床的建模及流动换热计算,并总结其相关规律,这对于摆脱商业
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堆积床结构广泛存在于工程领域,比如水冷堆、电子元器件冷却以及蓄热器,会涉及堆积床内的强制对流换热、磁场作用下的强制对流换热以及自然对流换热,而在不同的应用场景中,对换热的增强或抑制的需求也不相同。因此,准确地定量描述有无磁场下的堆积床内流体流动和传热是预测、优化乃至设计应用的关键。本文利用开源工具Blender和Open FOAM分别实现堆积床的建模及流动换热计算,并总结其相关规律,这对于摆脱商业软件依赖以及工业设计均有重要意义。本文的主要研究内容如下:首先本文基于Blender实现规则和随机堆积球床的合理建模,并且利用其python脚本功能实现堆积球床的接触点处理以及纤维状堆积床的建模,然后基于Open FOAM定制适用于堆积床内对流换热计算的求解器,并根据文献数据对求解器的可靠性进行验证,最后基于所定制的求解器探究纤维状堆积床的几何特性以及外部边界条件对其内部对流换热的影响规律。结果表明:（1）随着纤维直径、孔隙率以及纤维之间交错复杂程度的增大,修正雷诺数为50到2000范围内的堆积床中的强制对流平均压力梯度越小、综合对流换热效率越高,且在堆积球体表面与腔体壁面温差为11K时的自然对流换热的换热越好;（2）垂直于流动方向的磁场的存在会产生与流动方向相反的洛伦兹力,从而抑制流体的流动,增强换热,在修正雷诺数为600及1000的条件下,其换热提升效果相对于对强制对流流动的抑制效果小了约一个数量级,此外其自然对流换热也受到抑制;（3）在相同的磁感应强度下,随着纤维直径的增大,磁场对强制对流的流动抑制效果和换热增强效果以及综合换热效率的削弱效果均会提升;随着孔隙率的增大,磁场对强制对流的流动抑制效果以及综合换热效率的削弱效果均会提升,对换热增强效果无明显规律;（4）对框架为100mm×400mm,纤维直径为14mm,孔隙率为0.94的堆积床,当磁感应强度小于0.03T时,由于浮力占主导作用,随着磁感应强度的增大,其温差由11K增加到22K所带来换热的提升效果越发明显;反之,由于洛伦兹力占主导,随着磁感应强度的增大,温差增大对换热的提升效果则越来越弱;（5）对于磁场作用下的自然对流换热,当重力方向与堆积床的纵轴线平行的条件下,磁场方向旋转至与重力作用方向平行时,其平均努塞尔数达到最大;当重力方向与磁场方向垂直的条件下,纤维分布对称的堆积床体旋转至纵轴与重力作用方向垂直时,其平均努塞尔数达到最大。
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