多孔方形腔体内粘性流体自然对流流动的传热特性及变热物理性质

《Heat Transfer》：Heat Transfer Characteristics and Variable Thermophysical Properties of Naturally Convective Flow of Viscous Fluid Inside a Porous Square Cavity

温度依赖性热物性对多孔介质自然对流的影响研究，通过粘性流体方形腔室水平绝热竖向正弦振荡的数值模拟，发现考虑温度变化显著增强对流强度，形成更密集的流线与稳定涡旋，温度分布呈现导热系数低时等温线局部化、高时均匀化的特性。

　　

摘要

我们研究的主要目的是探讨温度依赖的热物理性质对多孔介质中自然对流行为的影响，并对其进行量化分析。鉴于实际流体的性质会随温度显著变化，尤其是在多孔介质中常见的较大温差环境下，我们旨在了解这种变化如何影响流动模式和热量分布，从而超越那些假设流体性质恒定的简化模型。为此，我们特别研究了在正方形腔体内的粘性流体中的自发对流现象，其中垂直壁做正弦振荡，而水平壁为绝热壁。流体流动通过布辛涅斯克近似和达西定律进行模拟。利用相似性变换，将控制方程转换为无量纲形式，然后采用Peaceman–Rachford交替方向隐式法和高斯–乔丹消元法进行数值求解。研究结果表明，考虑温度依赖性特性可以显著增强对流效果，使流动更加稳定，循环更加有效，流线更加密集。温度分布也发生了显著变化：在高导热性条件下，等温线变得更加平缓且分布均匀；而在低导热性条件下，等温线在热源附近变得更加尖锐且分布集中。对流与扩散之间的相互作用也体现在等浓度线上——高扩散性条件下等浓度线分布更为均匀，而低扩散性条件下则更加局部化。