基于FEniCS有限元法的L/C型腔体自然对流热性能与不可逆性优化研究

本研究针对L型和C型腔体结构，通过FEniCS平台开展自然对流与熵产分析，系统探究几何参数对热传输效率及不可逆性的影响机制。研究发现L型腔体水平臂延长存在临界长度（Lh/H=0.3），而垂直臂延长（Lv/L≥0.7）可提升热力学效率；C型腔体在窄浅凹槽（Lh/H=Lc/L=0.1）时表现最优。研究为高效低耗散热结构设计提供了重要理论依据。

　　

本研究采用有限元方法（Finite Element Method）通过开源计算平台FEniCS，对L形和C形腔体内的自然对流（Natural Convection）与熵产（Entropy Generation）开展了系统性数值模拟。研究设定普朗特数（Pr）为0.71，格拉晓夫数（Gr_H）范围7.04×10³–1.41×10⁶，瑞利数（Ra_H）范围5×10³–10⁶。

在L形腔体中，水平臂（L_h/H）长度增加在初期可强化浮力驱动环流并提升传热，但因粘性耗散增强，熵产也随之上升；超过临界比例0.3后热性能收益下降，流场与温度场趋于平缓，不可逆性反而降低。垂直臂长度（L_v/L）增加至0.7以上可拓宽羽流路径、促进混合均匀性，从而改善热力学效率，且对传热率影响较小。

C形腔体在窄浅凹槽构型（L_h/H = L_c/L = 0.1）时表现出最佳热性能与中等熵产，此时腔内维持单一强环流胞；随着凹槽加深或加宽（≥0.3），多涡结构形成，虽传热良好但不可逆性显著上升；过度凹槽则会严重劣化流动并急剧提高熵产。

在所有构型中，瑞利数（Ra_H）升高均强化了对流传热，但也加剧了以热不可逆性为主导的熵产，其贡献超过粘性效应。综合而言，L形腔体在L_v/L=0.7、C形腔体在最小切槽尺寸时，能在高对流效率与低热力学损失之间达到最优平衡。