Page 103 - 2023年第54卷第6期

空腔，模型两侧绝热，如图 ４所示。同时，考虑到模
型箱为长方体结构，取二维模型（侧向剖面）代替三维
结构，以降低计算量，提高分析效率。本项工作主要
关注的是夹层内空腔流动特性，因此，在不同厚度下
保证夹层厚度方向有 ２０层网格，同时考虑壁面附近边
界层的影响，从壁面到内部网格逐渐由疏变密。土体
热参数数据如表 １所示。需要说明的是，虽然前文中
提到已完成的试验中热交换板的输出可用衰减函数表
征，但各 试 验 的 函 数 输 出 值 都 有 所 差 别，无 法 统 一，
因此在本 次 模 拟 时 将 热 交 换 板 统 一 设 为 恒 温 冷 边 界，
使边界条件更加清晰，以便规律探讨。 图 ４ ＣＦＤ计算网格划分示意（夹层厚度 ２０ｃｍ）
根据 不 同 边 界 条 件 设 置 仿 真 工 况，如 表 ２所 示。
［１４］
主要考察不同冷端温度，重力加速度，夹层厚度等 ３个条件。对于间隙间距，Ｔａｙｌｏｒ 在其著作中给
出了 “小间隙” 的设置建议。参照该建议，本次模拟中设置了 ３种间距，其中 Ｌ ＝ １ｃｍ时为严格意义
上的小间隙，其余间距按照 Ｌ ＝ １ｃｍ做等比例放大处理，以便对比；将冷端初始温度 － ３０℃为基底将
模型率 Ｎ（数值上等于重力加速度的倍数）和夹层厚度 Ｌ进行两两组合，共计 １２种工况；再加设 ２种
工况，即 Ｎ ＝ １０ 、５０，夹层间距取 １０ｃｍ，冷端初始温度 Ｔ设为－ ４０℃，主要考察冷端初始温度对模型
０
的影响。模拟总计 １４种工况。整个计算模型的尺寸为 ７５０ｍｍ × ６００ｍｍ，流场及土体表面的初始温度
６
设为 １０℃，计算的非稳态时间尽可能延长（ｔ ≈１０ ｓ）。
ｍａｘ
表 １ 土体热参数数据 表 ２ 数值仿真工况设置

模型率 Ｎ 夹层厚度 Ｌ?ｃｍ 冷端初始温度 Ｔ ０ ?℃
密度? 热扩散系数? 导热系数? 热容?
１ １ － ３０
２
３
３
（ｇ?ｃｍ ） （ｍ ?ｓ） （Ｗ?（ｍ·Ｋ）） （ＭＪ?（ｍ·℃））
１０ １０ － ４０
３０ ２０
１．８ ２．５ × １０ － ７ ２ ２～４
５０
３ 换热特征

图 ５（ａ）—（ｃ）显示了冷端温度为－ ３０℃，间距 Ｌ分别为 ２０ｃｍ、１０ｃｍ、１ｃｍ时不同 Ｎ值条件下热
端土体表面温度的变化。根据数值仿真结果，大时间尺度下超重力场下夹层空间的换热特征呈现以下
特点：
（ １）重力加速度对模型表面制冷效果提升显著。图 ５（ａ）—（ｃ）可以明显的看出，相较于 １ｇ常重力
场，重力加速度对模型表面降温效果的提升，特别是小间隙、大 Ｎ值条件下时，这得益于重力加速度
对夹层空间对流换热效应中空气浮升力项的成倍提升。

图 ５ 不同夹层厚度时模型表面温度变化

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