Проблема интенсификации теплообмена при помощи неоднородных по пространству граничных условий представляет большой интерес. В данной работе  исследуется влияние неоднородного, непериодического распределения нагрева на структуру течения и конвективный теплопоток для существенно турбулентных режимов (Ra = 1,1·10⁹). Численное моделирование конвективной турбулентности при неоднородном распределении нагрева на нижней границе в кубической полости выполнено с помощью открытого программного обеспечения OpenFoam 4.1. Представлены результаты для трех вариантов распределения нагреваемых областей: локализованный нагрев, девять нагревателей одинакового размера, равноудаленные друг от друга и фрактальная геометрия нагревателя. Все три варианта распределения имеют одинаковую площадь нагрева. Показано, что во всех случаях неоднородного распределения нагрева в полости формируется крупномасштабная циркуляция, динамика и структура которой зависит от распределения температуры на нижней границе. Выявлены спонтанные переориентации плоскости крупномасштабной циркуляции на ±45° или ±90°. Проведено сравнение интенсивности теплового потока через слой при фиксированном перепаде температуры на горизонтальных границах. Интенсивность теплообмена слабо зависит от распределения температуры на нижней границе. Максимальное отличие в числе Нуссельта при трех вариантах неоднородного распределения температуры не превышает 5%. Сравнение результатов численного моделирования при однородном и неоднородном распределениях нагрева для Ra = 1,1·10⁹ показало, что уменьшение площади нагрева на 70% приводит к снижению значения числа Нуссельта на 10%.  Обнаружено, что величина потока тепла падает с уменьшением площади нагрева не пропорционально ее изменению при фиксированных температурах в области нагрева и охлаждения. Для практических приложений важную роль играет стабильность теплового потока, которая характеризуется отсутствием пульсаций. Установлено, что использование фрактального нагрева позволяет значительно снизить уровень пульсаций теплопотока без потерь в эффективности теплопереноса.

• Prev
• Next