自然对流与结冰过程：数值模拟与实验分析

"自然对流影响结冰的数值模拟及实验研究 (2010年)" 本文探讨的主题聚焦于自然对流在冰蓄冷系统中竖直铜管结冰过程中的影响，以及如何通过数值模拟与实验相结合的方式研究这一现象。冰蓄冷技术是一种节能策略，它利用夜间低谷电价制冰，然后在白天用电高峰时段释放冷量以满足空调需求。该技术主要分为动态和静态两种类型，其中静态蓄冰主要包括盘管式和冰球式。 在盘管式蓄冰中，自然对流和水的过冷现象会显著影响蓄冰过程。由于水的密度随温度变化，当接近冰点时，会出现密度反转现象，即在一定温度范围内，水的密度随着温度降低反而增加。这种非Boussinesq流动在数值模拟中需要特殊处理，否则无法准确反映实际的流动行为。已有研究如NHSaeid和Masaaki的工作，以及刘道平等人的实验，都揭示了水的密度反转对自然对流的影响。 论文作者刘仍通和潘阳通过数值模拟软件分析了竖直铜管的结冰过程，并通过实验验证了模拟结果的准确性。数值模拟结果显示，靠近管壁的底角出现了与主流方向相反的漩涡，这些漩涡随着时间逐渐向上移动。此外，他们观察到纵向温度分布发生了翻转，即温度较高的区域出现在了下方，而温度较低的区域则位于上方，这与常规的温度梯度相反。径向温差非常小，表明热量传递在径向上相对均匀。密度反转现象对冰层形状产生了显著影响，导致形成的冰层呈现出倒锥形。 实验研究部分，作者们观察到当底部水温降低至4℃以下时，蓄冰桶上部的水温会快速下降，这进一步证实了自然对流在蓄冰过程中的关键作用。其他学者如白博峰等的研究也强调了在凝固过程中液相区的流动反转现象，并对其物理机制进行了解释。 通过数值模拟与实验的结合，该研究为理解和优化冰蓄冷系统的性能提供了重要的理论依据。对于设计更高效、更精确的冰蓄冷系统，理解自然对流对结冰过程的具体影响至关重要。这项工作不仅深化了我们对冰蓄冷系统中复杂传热问题的认识，也为未来的设计和改进提供了实证数据支持。