Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время развитие энергетики, микроэлектроники, машиностроения ставит новые задачи тепло- и массообмена и вместе с тем - новые, более жесткие требования к полноте и надежности данных теории и эксперимента. Численное моделирование процессов тепломассообмена приобрело значительную роль в связи с тем, что экспериментальное изучение в лабораторных или натурных условиях очень сложно и дорого, а в некоторых случаях просто невозможно.
Заметное место среди наиболее актуальных современных исследований в области тепло- и массообмена занимает естественная конвекция, возникающая в неоднородном поле массовых сил. Известно, что естественная конвекция как один из механизмов переноса энергии представляется наиболее эффективным способом охлаждения узлов и блоков радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники вследствие высокой надежности, низкой стоимости технической реализации системы охлаждения и отсутствия шумового загрязнения. В связи с этим повышенное внимание уделяется теоретическим и экспериментальным исследованиям режимов конвективного теплопереноса в замкнутых областях при наличии локальных источников энергии. Ранее было показано, что в диапазоне температур воздушной среды от 20 до 30С изменение степени черноты ограждающих поверхностей от 0 до 0.2 приводит к росту как температуры в отдельных зонах анализируемого объекта, так и интенсивности процесса передачи энергии. При этом интегральное число Нуссельта увеличивается на 25%. Отмеченное обстоятельство характеризует соизмеримость вклада конвекции и излучения в диатермичных средах даже при умеренных температурах. Следовательно, анализ транспортных режимов массы, импульса и энергии в элементах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и электронной техники (ЭТ) требует совместного рассмотрения режимов естественной конвекции и теплового излучения.
Цель работы заключается в математическом моделировании ламинарных нестационарных режимов сопряженной термогравитационной конвекции и теплового поверхностного излучения в замкнутых областях (плоская и пространственная постановки) с локальными источниками тепловыделения. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
исследование влияния приведенной степени черноты внутренних поверхностей ограждающих твердых стенок, размеров и положения локального источника энергии, геометрических и теплофизических характеристик твердых стенок, а также интенсивности внутренних процессов и условий внешнего конвективного охлаждения области решения на режимы конвективно-радиационного теплопереноса в замкнутых двумерных и трехмерных областях;
сравнительный анализ результатов двумерного и трехмерного приближений и оценка возможности использования данных плоской модели для описания интегрального теплообмена в пространственных объектах;
обоснование эффективности применения преобразованных переменных «векторный потенциал - вектор завихренности» при анализе нестационарных режимов конвективно-радиационного теплопереноса в пространственных объектах;
установление основных закономерностей процессов сопряженного конвективно-радиационного теплопереноса в областях с источниками энергии.
Научная новизна работы.
-
Впервые численно исследованы нестационарные совместные режимы сопряженной термогравитационной конвекции и теплового поверхностного излучения в замкнутых областях с источниками энергии различных размеров в условиях конвективного теплообмена с внешней средой в двумерном и трехмерном приближениях.
-
Впервые обоснована эффективность применения преобразованных переменных «векторный потенциал - вектор завихренности» в методе конечных разностей по сравнению с естественными переменными «скорость - давление» в методе контрольного объема при анализе нестационарных режимов конвективно-радиационного теплопереноса в пространственных объектах.
-
Проведен детальный численный анализ двух методов, интенсифицирующих теплоотвод от локального источника тепловыделения постоянной мощности, расположенного на нижней границе герметичного блока с теплопроводными стенками конечной толщины. Установлены масштабы снижения средней температуры теплонагруженного элемента как за счет увеличения внешнего коэффициента конвективного теплообмена, так и за счет изменения степени черноты внутренних поверхностей полости и источника энергии при фиксированных значениях температуры окружающей среды и внешнего коэффициента теплоотдачи.
Практическая значимость исследований заключается в создании вычислительного комплекса для моделирования сопряженного конвективно-радиационного теплопереноса в замкнутых областях с источниками энергии в условиях конвективного теплообмена с внешней средой.
Полученные результаты диссертационной работы позволили повысить точность расчетов тепловых режимов, увеличить эффективность системы охлаждения регулируемых электроприводов РЭП-3.5, РЭП-5.5 и вентильных приводов ВЭПр-36, ВЭПр-55, разрабатываемых ОАО «НПЦ «Полюс».
Исследования выполнялись по проектам федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы: государственные контракты №П357 от 30 июля 2009 г. и №8345 от 17 августа 2012 г., а также по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых МК-396.2010.8 и МК-5652.2012.8.
Личный вклад автора. При выполнении работ по теме диссертации автор лично разработал вычислительные коды, принимал непосредственное участие в постановке задач, выборе численных методик и их тестировании, обработке и анализе результатов, подготовке статей и докладов на конференциях.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты численного исследования нестационарных ламинарных режимов естественной конвекции и теплового излучения в замкнутых областях (двумерная и трехмерная модели) с теплопроводными стенками конечной толщины при наличии источника энергии.
-
Анализ эффективности применения преобразованных переменных «векторный потенциал - вектор завихренности» в методе конечных разностей по сравнению с естественными переменными «скорость - давление» в методе контрольного объема при исследовании нестационарных режимов конвективно-радиационного теплопереноса в пространственных объектах.
-
Результаты численного моделирования нестационарного сопряженного конвективно-радиационного теплообмена в замкнутой области с локальным источником тепловыделения постоянной мощности в условиях внешнего конвективного охлаждения анализируемого объекта.
Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждается использованием хорошо апробированных численных методов механики жидкости и газа, выполнением принципов верификации физико-математических моделей, применением тестированных численных технологий, согласованием результатов решения тестовых задач с экспериментальными и расчетными данными других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на VI и VIII Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2009, 2011); 16 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010); IX, X и XI Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2011, 2012, 2013); VI и VII Сибирской конференции по параллельным и высокопроизводительным вычислениям (Томск, 2011, 2013); XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); III Всероссийской научно-практической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2012); XIX Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Орехово-Зуево, 2013); II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Томск, 2013); 8 Всероссийской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики" (Томск, 2013); Всероссийской конференции по математике и механике (Томск, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 5 статей в изданиях, вошедших в перечень ВАК РФ; 12 - в сборниках научных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 155 наименований. Материал содержит 94 иллюстрации, 6 таблиц и изложен на 198 страницах.
