شبیه‌سازی عددی همرفت طبیعی در کانال عمودی دو بعدی: تأثیر عدد رایلی و نسبت ابعادی بر انتقال حرارت

چکیده

این تحقیق به شبیه‌سازی عددی همرفت طبیعی در یک کانال عمودی دو بعدی با دیواره‌های دارای گرادیان حرارتی پرداخته است. در این مطالعه، معادلات پیوستگی، حرکت و انرژی تحت تقریب بوسینسک به‌صورت عددی حل شده‌اند. برای این منظور، از روش تابع جریان–ورتیسیتی به‌عنوان ابزار عددی استفاده شده است که باعث افزایش دقت و پایداری در شبیه‌سازی می‌شود. مدل عددی با داده‌های مرجع حفره مربعی de Vahl Davis اعتبارسنجی شده است که توافق بسیار خوبی با انحراف کمتر از 3 درصد در عدد ناسلت متوسط دارد.

تحلیل پارامتریک برای عدد رایلی در بازه‌های Ra=10³ تا Ra=10⁹ و برای نسبت‌های هندسی مختلف (W/H = 0.25، 0.5، 1) انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش عدد رایلی، لایه‌های مرزی حرارتی نازک‌تر و جریان‌های چرخشی تقویت می‌شوند که منجر به افزایش چشمگیر نرخ انتقال حرارت می‌شود. همبستگی عدد ناسلت متوسط به‌عنوان یک تابع توان از عدد رایلی به‌دست آمده که با مقدار نمایی بین 0.28 و 0.30 همخوانی دارد، که با نظریه همرفت لامینار کلاسیک سازگار است. این مطالعه می‌تواند به‌عنوان مرجع برای طراحی سیستم‌های انتقال حرارت غیرفعال، مانند مبدل‌های حرارتی عمودی و سیستم‌های خنک‌کننده طبیعی، مورد استفاده قرار گیرد.