【摘 要】
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辐射流体力学是一门探究辐射场、流场及温度场共同作用的交叉学科,其广泛应用于天体物理、高温冶金、晶体生长、工业燃烧炉和惯性约束聚变等领域。当工作流体处于高温环境或为辐射参与性介质时,热辐射对流动传热的影响不可忽略,辐射对流耦合换热问题的研究除了可以让人类能够更好地认识自然科学,还对实际工程有着重要的指导意义。本文以经典的Rayleigh-Bénard对流为研究对象,基于Chebyshev-Fouri
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辐射流体力学是一门探究辐射场、流场及温度场共同作用的交叉学科,其广泛应用于天体物理、高温冶金、晶体生长、工业燃烧炉和惯性约束聚变等领域。当工作流体处于高温环境或为辐射参与性介质时,热辐射对流动传热的影响不可忽略,辐射对流耦合换热问题的研究除了可以让人类能够更好地认识自然科学,还对实际工程有着重要的指导意义。本文以经典的Rayleigh-Bénard对流为研究对象,基于Chebyshev-Fourier配置点谱方法,开发了高精度求解三维柱坐标系下瞬态动量守恒方程和能量守恒方程的MATLAB程序,分别对竖直圆柱内无辐射参与和采用Rosseland假设模型的有辐射参与的Rayleigh-Bénard对流进行了直接数值模拟研究。本文首先采用了两种速度-压力解耦方法,即改进的投影算法和人工压缩法,分别与Chebyshev-Fourier配置点谱方法相结合对Pr=1,Γ=1和2000≤Ra≤20000时无辐射参与的Rayleigh-Bénard对流进行了研究,并对这两种结合方法作了系统性地比较。随后,选择更优的一种探讨了无辐射参与时Pr数、Ra数和径深比和有辐射参与时辐射参数对流体流动及传热的影响。数值模拟结果表明,（1）相较于人工压缩法,改进的投影算法计算效率更高;（2）Rayleigh-Bénard对流流型结构的随机性及对称性得到验证;（3）径深比为1时,无辐射参与的Rayleigh-Bénard对流的第一临界瑞利数为2268,当Ra数大于此值时,等温面开始扭曲变形,随着Ra数的增大等温面变形程度不断加深,流动越剧烈,对流平均Nusselt数也随之增大;（4）无辐射参与时,Pr数对温度场影响较小,对速度场影响较大,而径深比无论对温度场还是速度场都有着较大影响,随着径深比的增大,圆柱腔内流体流动变得越来越剧烈,换热也越来越强,温度场发生翻转的Ra数越小,但温度场和流场始终保持着轴对称特性;（5）当考虑热辐射的影响时,辐射参数的大小对传热有着较大影响,在Ra≤20000时,辐射参数越大,辐射对流动的抑制作用越来越强,对流平均Nusselt数越来越小;当30000≤Ra≤50000时,随辐射参数的增大,热对流先有所加强然后再被抑制。
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