Влияние переменных теплофизических свойств рабочей среды на процессы естественной конвекции в замкнутом частично пористом кубе с нагревателем
Автор: Марина Сергеевна Астанина, Михаил Шеремет
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.19, 2026 года.
Бесплатный доступ
В работе выполнено численное исследование процессов естественной конвекции и теплообмена в замкнутой кубической полости, частично заполненной пористым материалом и содержащей локальный тепловыделяющий кубический элемент. Рабочая жидкость рассматривается как ньютоновская несжимаемая среда с температурно-зависимыми вязкостью и теплопроводностью. Математическая модель основана на приближении Буссинеска и системе уравнений, записанной в безразмерных переменных «векторный потенциал - вектор завихрённости - температура». Численное решение получено методом конечных разностей второго порядка точности с использованием локально одномерной схемы Самарского для интегрирования по времени. Предложенный метод решения прошёл верификацию путем сопоставления с известными данными для классической задачи естественной конвекции в кубической полости. В рамках параметрического анализа оценено влияние температурных зависимостей вязкости и теплопроводности жидкости, а также высоты пористого слоя на структуру течения и теплообмен. Показано, что переменная вязкость приводит к интенсификации как конвективных течений вблизи источника тепла, так и циркуляции жидкости в полости. Рост параметра изменения теплопроводности способствует выравниванию температурного поля и снижению локальных температурных градиентов. Установлено, что совместный учёт переменных теплофизических свойств изменяет среднее число Нуссельта и температурный режим тепловыделяющего элемента. Введение пористого слоя существенно сказывается на гидродинамике процесса, а именно снижается перегрев источника энергии. Установленные авторами результаты могут служить основой для выбора теплоносителей с заданной температурной зависимостью реологических свойств, обеспечивающих интенсивный теплоотвод вблизи тепловыделяющих элементов. В частности, применение жидкостей с выраженным снижением вязкости при нагреве позволяет увеличить эффективность конвективного теплообмена без изменения геометрии системы охлаждения.
Пористый слой, тепловыделяющий кубический элемент, свободная конвекция, циркуляция жидкости, метод конечных разностей, переменная теплопроводность, переменная вязкость
Короткий адрес: https://sciup.org/143186127
IDR: 143186127 | УДК: 532.5, 536.24 | DOI: 10.7242/1999-6691/2026.19.2.16
The effect of variable thermophysical properties of the working fluid on the processes of natural convection in a closed partially porous cube with a heater
The present paper deals with a numerical investigation of natural convection and heat transfer in a closed cubical partially porous cavity with a local heat-generating cubical element at the bottom wall. The working fluid is an incompressible fluid with temperature-dependent viscosity and thermal conductivity. The mathematical model is based on the Boussinesq approximation and a system of equations written in terms of «vector potential - vorticity vector - temperature» variables. The governing equations are solved numerically using the second-order finite difference method and locally one-dimensional Samarskii scheme for time integration. The developed numerical approach is verified by comparing the obtained results with the known solutions of the classical problem of natural convection in a differentially heated cubic cavity. A parametric analysis is carried out to examine the effects of temperature dependence of viscosity and thermal conductivity of the fluid, as well as the height of the porous layer on the flow structure and heat transfer. The results demonstrate that temperature-dependent viscosity causes the intensification of convective motion near the heat source and enhances the general fluid circulation in the cavity. An increase in the parameter of thermal conductivity variation leads to a more uniform temperature distribution and a reduction of local thermal gradients. It has been shown that the combined effect of variable viscosity and thermal conductivity changes the average Nusselt number and the thermal regime of the heat-generating element. The hydrodynamics of the process can be significantly improved by introducing a porous layer, which allows decreasing of overheating of the energy source. These findings serve as a basis for selecting coolants with a specified temperature dependence of rheological properties that provide an intensive heat removal near the fuel elements. In particular, the use of fluids with a pronounced decrease of viscosity at heating makes it possible to increase the efficiency of convective heat transfer without changing the geometry of the cooling system.
